摩尔定律停滞的解方？半导体行业巨头的硅光子技术布局

产业已把晶体管缩小至几个原子的宽度，以晶体管为基础的硅芯片在过去数十年来以指数级增幅提高运算能力，但要进一步缩小晶体管将面临挑战，不只是因为缩小尺寸变得更难，信号也存在流失问题。许多大型机器学习演算可利用数万芯片进行运算，但采用当前电流传递方式在芯片或服务器之间进行资料传输的速度面临瓶颈。

尽管人类数十年来已通过包括海底电缆在内的光纤线缆，利用光来传输数据，但要做到芯片等级是很难的，原因是用来产生光或控制光的装置还没办法轻易被缩小到有如晶体管一样的尺寸。每两年就能把芯片上晶体管密度提高一倍并降低成本的摩尔定律正在减缓，这促使产业寻求新的解决办法，来处理日益繁重的AI运算所需。

数年前，电脑利用“光”而非“电流”来进行运算处理与数据传输的技术，还只被视为研究计划。如今该技术正加速发展，有能力解决在芯片上运用光子相关工程挑战的初创企业正在获得庞大资金。

根据PitchBook的数据，硅光子初创公司去年筹资超过7.5亿美元，较2020年增加一倍，也远高于2016年的1800万美元。PitchBook高级新兴技术分析师BrendanBurke预期，到了2025年，硅光子在数据中心会成为常见的硬件，估计这块市场届时规模会达30亿美元。

研发硅光子技术的初创公司Ayar Labs于26日宣布，已从包含英伟达、英特尔在内的投资者筹得1.3亿美元资金。英伟达首席科学家兼研究高级副总裁BillDally表示：“光学连接对于扩展加速计算集群以满足AI和HPC工作负载快速增长的需求非常重要。AyarLabs拥有独特的光学I/O技术，可以满足扩展下一代基于硅光子的AI架构的需求。”Ayar Labs首席执行官表示，“这笔融资使我们能够从今年开始完全根据行业标准对质量和可靠性以及规模化生产的解决方案进行验证。 ”

Ayar Labs首席执行官Charles Wuischpard表示：“总体融资规模远大于我们最初的目标，这凸显了光学I/O的市场机会以及Ayar Labs在基于硅光子的互连解决方案方面的领导地位。”

Ayar Labs还表示：“AI对数据中心的作用越来越重要。移动数据的挑战和移动数据的能源消耗是个很大很大的问题。”Ayar Labs透露，公司已经批量出货了第一批产品，预计到今年年底将出货数千个光学互连芯片。

除了连结晶体管芯片外，运用电光子来打造量子电脑、超级电脑与自驾车芯片的初创公司也筹得大笔资金。例如量子运算公司PsiQuantum迄今筹得6.65亿美元，尽管距离量子电脑改变这个世界的展望仍有数年之遥；此外，光子芯片研究公司Lightmatter也筹得1.13亿美元，今年稍后将推出芯片并与客户进行测试；打造AI超级电脑的LuminousComputing公司则筹得1.15亿美元，该公司也打造使用硅光子技术的AI超级电脑，并且获得微软创办人比尔盖茨资助。

事实上，不只初创公司研发硅光子技术，很多半导体巨头及一些国家也纷纷开始布局光子领域。

 英特尔

除了上文提到的对Ayar Labs的投资，2021年12月，英特尔实验室(Intel Labs)宣布建立了一个新的研究中心，旨在通过用电代替光来驱动更快、更高效的计算接口。这一消息很快吸引了众多关注。据悉，英特尔数据中心互连集成光子学研究中心（Intel Research Center for Integrated Photonics for Data CenterInterconnects）的目标，是通过将同样的逻辑应用于计算接口，解决上述的瓶颈，尤其是针对计算平台来实现突破。

更具体地说，该研究中心由来自全球领先学术机构的研究人员组成，正在开发包括硅光电子、CMOS电路和链路结构、封装集成和光纤耦合在内的光输入/输出(I/O)技术。英特尔认为，光学I/O有望在覆盖范围、带宽密度、功耗和延迟等关键性能指标上显著超过电气，这种潜力不容忽视。

英特尔实验室PHY研究实验室主任James Jaussi指出，尽管有这种潜力，光接口依然难以在短时间内淘汰掉以往的铜缆互连，相关的技术进展也需要循序渐进。当大众从电子和光学技术之间过渡时，它需要一项可以持续连接和惠及几代人的技术，这也将是这个研究中心的重点。

 格芯

今年3月，格芯宣布其下一代具有广泛颠覆性的硅光子平台GFFotonix。格芯还与思科系统公司合作，为DCN和DCI应用定制硅光子解决方案。

GF Fotonix是一个单片平台，也是业内第一个将其差异化的300mm光子学特性和300GHz级RF-CMOS集成在硅芯片上的平台，可以大规模地提供一流的性能。GFFotonix通过在单个硅芯片上结合光子系统、射频 (RF) 组件和高性能互补金属氧化物半导体(CMOS) 逻辑，将以前分布在多个芯片上的复杂工艺整合到单个芯片上。

格芯是唯一一家拥有300mm单片硅光子解决方案的纯晶圆代工厂，该解决方案展示了业界最高的单纤数据速率（0.5Tbps/光纤）。这使得1.6-3.2Tbps光学芯片能够提供更快、更高效的数据传输，以及更高效的信号完整性。此外，系统错误率提升高达10000倍，可实现下一代人工智能。

GF Fotonix可在光子集成电路 (PIC)上实现最高水平的集成，因此客户可以集成更多产品功能，并简化其材料清单 (BOM)。终端客户可以通过增加容量和能力来实现更高的性能。新解决方案还支持创新的封装解决方案，例如大型光纤阵列的无源连接、2.5D封装和片上激光器。

GF Fotonix解决方案将在公司位于纽约马耳他的先进制造工厂生产，PDK1.0将于2022年4月推出。EDA的合作伙伴Ansys、CadenceDesign Systems和Synopsys提供设计工具和流程，以支持格芯的客户及其解决方案。格芯为客户提供参考设计套件、MPW、测试、制程前后、和半导体制造等服务，以帮助客户更快地进入市场。

 加拿大

今年3月，加拿大政府宣布正在投资2.4亿加元（合1.87亿美元）来推动该国的半导体和光子学领域，以期加强其在全球市场中的作用。9000万加元将用于对加拿大光子制造中心进行关键设备升级。在加拿大政府国家研究委员会的职权范围内，它为学术界和光子学企业提供工程和制造服务，预计这将进一步提升加拿大作为“世界光子学领导者”的声誉。

用于半导体基金的1.5亿加元只是美国等待国会最终批准的520亿美元半导体行业资金的一小部分。但加拿大政府表示，这一数额代表了该国对其半导体行业的“初步承诺”，其中包括100多家研究和开发微芯片的国内和国际公司、30多家应用研究实验室和5个商业设施。