算力時(shí)代：硅光技術(shù)乘勢而上，成為“超越摩爾”新路徑
縱觀半導(dǎo)體發(fā)展的歷史，總是離不開一個(gè)人們耳熟能詳?shù)母拍睢澳柖伞薄?/span>
但隨著集成電路產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，“摩爾定律”日漸式微；而近幾年隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，社會(huì)對于信息獲取與處理效率的需求持續(xù)攀升，硅光技術(shù)正憑借其在高通訊帶寬、高能效比、超低延遲等方面的突出優(yōu)勢，其應(yīng)用潛力得到進(jìn)一步挖掘，國內(nèi)外巨頭均在該領(lǐng)域爭相布局。
什么是硅光？它的優(yōu)勢有哪些？市場前景如何？
“芯片出光”是硅光技術(shù)核心理念，硅光技術(shù)利用成熟半導(dǎo)體CMOS工藝將光子和電子器件集成到同一個(gè)硅基襯底（（如SiGe/Si、SOI等）上，使光與電的處理深度融合到一塊芯片上，真正實(shí)現(xiàn)“光互連”。硅光技術(shù)將光通信的傳輸速率、集成度向更高水平推進(jìn)，是滿足不斷發(fā)展的大數(shù)據(jù)、人工智能、未來移動(dòng)通信等產(chǎn)業(yè)對高速通信需求的核心技術(shù)選擇之一，并可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)感測、量子運(yùn)算、激光雷達(dá)等新興的外延應(yīng)用領(lǐng)域。
（硅基光電子集成芯片概念圖）
硅光技術(shù)將微電子集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢相結(jié)合，相較傳統(tǒng)分立器件方案具有諸多優(yōu)勢。比如：
1、數(shù)據(jù)傳輸能力上，光信號擁有電信號不可比擬的高速率：傳統(tǒng)銅電路已接近物理瓶頸，繼續(xù)提高帶寬越來越困難。云計(jì)算產(chǎn)業(yè)對芯片間數(shù)據(jù)交換能力提出更高要求，單顆芯片性能越強(qiáng)、互聯(lián)的芯片數(shù)量越多，較低的互聯(lián)帶寬就愈來愈成為性能提升的瓶頸，目前的25Gb/s已接近傳輸速率的瓶頸。而硅光技術(shù)能夠突破這一瓶頸，大大提高帶寬。相對電信號傳輸，采用高速光纖的光信號傳輸架構(gòu)，可以通過單一鏈路25Gb/s的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到100Gb/s的傳輸速度；
2、硅光芯片具高度集成化：采用半導(dǎo)體制造工藝將硅光材料和器件集成在同一硅基襯底上，形成由光調(diào)制器、探測器、無源波導(dǎo)器件等組成的集成光子器件。相較磷化銦（InP）等有源材料制作的傳統(tǒng)分立器件，硅光光模塊無需ROSA（光接收組件）、TOSA（光發(fā)射組件）封裝，因而硅光器件體積與數(shù)量更小、集成度更高；
（傳統(tǒng)分立器件方案對比硅光集成芯片方案）
3、硅基材料與更緊密的集成方式降低了材料、制造和封裝成本：相較于傳統(tǒng)的分立式器件，硅光模塊的集成度更高，封裝與人工成本降低；硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，意味著硅基芯片成本得以大幅降低；第三，對光模塊進(jìn)行成本拆分，光器件的成本占比超過70%，而其中TOSA光發(fā)射組件的成本占比較大，普通光模塊與硅光模塊的發(fā)射器類型不同，在100G短距CWDM4和100G中長距相干光模塊中，受限良率成本等問題， 硅光模塊成本優(yōu)勢不明顯，但在400G及以上的高速率的場景中，由于傳統(tǒng)DML和EML發(fā)射器類型的成本較高，硅光模塊成本性價(jià)比優(yōu)勢開始顯現(xiàn)；
4、集成電路產(chǎn)業(yè)對硅基CMOS生產(chǎn)技術(shù)和工藝有成熟積累：硅光技術(shù)利用半導(dǎo)體在超大規(guī)模、微小制造和集成化上的成熟工藝積累優(yōu)勢。
硅光技術(shù)有機(jī)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“摩爾定律”的新技術(shù)路徑，因此被市場一致看好。
近日，市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole 表示，自1985年以來，硅光技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，從最初的高約束波導(dǎo)發(fā)展到戰(zhàn)略性地采用CMOS行業(yè)的材料、集成和封裝技術(shù)，最終確立了其在光模塊領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。
Yole總結(jié)道，硅光最主要、最直接的應(yīng)用場景是數(shù)據(jù)中心，英特爾在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。此外，在電信領(lǐng)域、光學(xué)激光雷達(dá)、量子計(jì)算、光計(jì)算以及在醫(yī)療保健領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景。
根據(jù)Yole的預(yù)測，硅光芯片市場規(guī)模將從2020年的約0.87億美元增長到2025年的約11億美元，復(fù)合年均增長率達(dá)49%。其中基于消費(fèi)者健康、汽車激光雷達(dá)的光傳感芯片應(yīng)用將分別以81%、190%的復(fù)合率增長；光計(jì)算將以168%復(fù)合率增長。
此外，LightCouting數(shù)據(jù)顯示，2022年，硅光子技術(shù)將在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越傳統(tǒng)光模塊，預(yù)測到2024年，硅光光模塊市場市值將達(dá)65億美金，占比高達(dá)60%。
硅光產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)高速發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，不僅承載了數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的未來，也成為全球科技巨頭和新興企業(yè)競相投資的焦點(diǎn)。硅光子產(chǎn)業(yè)格局中已經(jīng)吸引了不同的參與者。
（全球硅光產(chǎn)業(yè)鏈布局情況）
值得一提的是，對于我國目前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，硅光芯片有它獨(dú)有的優(yōu)勢——可以避開先進(jìn)光刻機(jī)的掣肘。
雖然硅光芯片在制作流程和復(fù)雜程度上同傳統(tǒng)芯片相似，但它對于制程工藝的先進(jìn)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芯片的要求。
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(jìn)制程工藝的限制，在未來實(shí)現(xiàn)彎道超車。