后摩爾定律時代新賽道—硅光子芯片技術(shù)

縱觀芯片發(fā)展的歷史，總是離不開一個人們耳熟能詳?shù)母拍?——“摩爾定律”。

但隨著半導體產(chǎn)業(yè)化進程的不斷加快，摩爾定律日漸式微；而近幾年光電子技術(shù)的新起，也預示著半導體領(lǐng)域競爭新賽道的出現(xiàn)：

在芯片技術(shù)的發(fā)展過程中，隨著芯片制程的逐步縮小，互連線引起的各種效應成為影響芯片性能的重要因素。芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一，而硅光子技術(shù)則有可能解決這一問題。

但是隨著芯片制程的不斷進步，單個元器件越來越小，逐漸逼近物理極限，摩爾定律似乎不太好用了，芯片內(nèi)部的互連線引起的各種微觀效應成為影響芯片性能的重要因素，而芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一。

在此背景下，或許我們應該先了解什么是硅光子芯片技術(shù)：

圖片來自：華西證券

顧名思義，硅光子芯片技術(shù)是一種光通信技術(shù)，使用激光束代替電子半導體信號傳輸數(shù)據(jù)，是基于硅和硅基襯底材料（如：SiGe/Si、SOI ）等；并利用現(xiàn)有CMOS工藝進行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)。

其中，硅光子技術(shù)也結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，是應對摩爾定律失效的顛覆性技術(shù)，這種組合得力于半導體晶圓制造的可擴展性，因而能夠降低成本。

其次，硅光子技術(shù)最大的優(yōu)勢在于擁有相當高的傳輸速率，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認為是新一代半導體技術(shù)。

緊接著，硅光子技術(shù)是由四個關(guān)鍵器件來組成：

光源：生產(chǎn)光信號的器具，通常采用激光器或LED。

光波導：將光信號導到需要的位置，通常采用硅基光波導。

調(diào)制器：用于調(diào)制光信號的強度、相位或頻率，通常采用光電調(diào)制器。

探測器：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器具，通常采用光電二極管或光電探測器。

基于，硅光波導的多種光無源器件和有源器件均已先后開發(fā)成功，其中不少達到了實用化水平；由于硅屬于間接帶隙半導體材料，不能直接構(gòu)成電驅(qū)動激光器和光放大器，需要通過不同材料的混合集成加以實現(xiàn)。

圖片來自：華西證券

接下來，我們應熟知硅光子技術(shù)的核心優(yōu)勢：

集成度高：硅光子技術(shù)以硅作為集成芯片的襯底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件；與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

成本下降潛力大：傳統(tǒng)的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長受限，生產(chǎn)成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進一步提升；與三五族半導體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

波導傳輸性能優(yōu)異：硅的禁帶寬度為1.12eV，對應的光波長為1.1μm。因此，硅對于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導傳輸特性；此外，硅的折射率高達3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導可以具有較小的波導彎曲半徑。

此外，對于我國目前的半導體產(chǎn)業(yè)來說，硅光子芯片有它獨有的優(yōu)勢——可以避開先進***的掣肘；

雖然，它在制作流程和復雜程度上同傳統(tǒng)芯片相似，但它對于制程工藝的先進程度要求不高，不像傳統(tǒng)芯片那樣制程和能效的關(guān)聯(lián)性巨大，一般百納米級的工藝水平就能滿足硅光子芯片的要求。

再者，這對于我國來說，120納米左右的芯片是完全可以自主生產(chǎn)的，這樣就可以繞開先進制程工藝的限制，在未來實現(xiàn)換道超車。

隨著摩爾定律逐漸遭遇天花板，硅光子技術(shù)的投入研發(fā)再次被重視，越來越多的科技公司開始加大對硅光子技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入。

圖片來自：Yole Group

尤其，在10nm后硅基CMOS摩爾定律開始失效，傳統(tǒng)集成電路、器件提升帶寬模式逼近極限。

相比之下，硅光技術(shù)有機結(jié)合了成熟微電子和光電子技術(shù)，既減小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成為“超越摩爾”的新技術(shù)路徑。面對硅光子技術(shù)的確定性發(fā)展趨勢，海內(nèi)外巨頭公司瞄準硅光子技術(shù)新賽道。

據(jù)YOLE分析，硅光子在光收發(fā)器市場的份額預計到2027年可能會從目前的20％擴大到30％左右；用于消費者健康設(shè)備的硅光子學預計到2027年復合年增長率將達到30％，達到2.4億美元；用于人工智能和其他高端計算應用的光子處理器的復合年增長率將達到142％，達到2.44億美元。

相比之下，硅光子芯片封裝也面臨著困擾：芯片封裝是任何芯片的必經(jīng)流程，關(guān)于硅光子的芯片封裝問題，這是目前行業(yè)的一大痛點。

因此，硅光芯片的封裝主要分為兩個部分：其一是光學部分的封裝，其二則是電學部分的封裝。

目前，從光學封裝角度來說，因為硅光芯片所采用的光的波長非常的小，跟光纖存在著不匹配的問題，與激光器也存在著同樣的問題。不匹配的問題就會導致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統(tǒng)封裝相比最大的區(qū)別；用硅光做高速的器件，隨著性能的不斷提升，Pin的密度將會大幅度增加，這也會為封裝帶來很大的挑戰(zhàn)。

不難發(fā)現(xiàn)，作為下一代的半導體技術(shù)，其技術(shù)本身的起步已很早就開始，早在上世紀九十年代，就提出了有關(guān)的一些概念，是為了在芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。

21世紀初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學術(shù)機構(gòu)就開始重點發(fā)展硅芯片光學信號傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路；

不久前，臺積電宣布聯(lián)手英特爾押注硅光子芯片，加上近期又傳出蘋果在研究硅光子芯片的應用，硅光子芯片開始進入大眾視野。

放眼未來，伴隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，硅光子芯片在智能終端、大數(shù)據(jù)、超算等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用，正是有著如此多的優(yōu)勢和特點，在大數(shù)據(jù)、生命科學、激光武器等高端領(lǐng)域其作用不可替代。

審核編輯：劉清