硅光芯片：如何决胜后摩尔时代的新赛道

新思科技 2022-08-16 18:00

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本文转自《半导体行业观察》

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曾经在芯片竞争中落后于电子芯片的光子芯片，正在崛起。

随着5G、AIoT、云计算等各项应用的逐步落地，对数据传输提出了更高的要求。与此同时，数据中心光电转换必需的器件──光模块迎来了爆发式增长。有数据统计，在多平面网络架构下的，新一代数据中心对光模块的需求量增加了65倍。

LightCounting的预测显示，全球光模块的市场规模将在未来5年以CAGR 14%保持增长，预计2026年达到176亿美元。

▲图1：全球光模块细分市场规模及预测（图源：LightCounting）

其中，光芯片的性能直接决定光模块的传输速率，是产业链核心之一。以光通信产业链为例，光芯片位于整个产业链的顶端，占据光模块成本的50%以上，是整个光通讯产业链条中技术最复杂、价值最高的环节。

▲图2：光通信产业链

光芯片迎来发展机遇

半个世纪以来，微电子技术大致遵循着“摩尔定律”快速发展，随着信息技术的不断拓宽和深入，芯片的工艺制程已减小到5nm以下，但由此带来的串扰、发热和高功耗问题愈发成为微电子技术难以解决的瓶颈。

同时，在现有冯诺依曼计算系统采用存储和运算分离的架构下，存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈，严重制约系统算力和能效的提升。此外，处理器与内存之间、处理器与处理器之间信息交互的速度严重滞后于处理器计算速度，访存与I/O瓶颈导致处理器计算性能有时只能发挥出10%，这对计算发展形成了极大制约。

电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，继续在电子计算技术范式上寻求突破口步履维艰。在面向“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术里，光芯片已进入人们的视野。

光芯片，一般是由化合物半导体材料（InP和GaAs等）所制造，通过内部能级跃迁过程伴随光子的产生和吸收，进而实现光电信号的相互转换。

微电子芯片采用电流信号来作为信息的载体，而光子芯片则采用频率更高的光波来作为信息载体。相比于电子集成电路或电互联技术，光芯片展现出了更低的传输损耗、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力。

此外，光互联还可以通过使用多种复用方式（例如波分复用WDM、模分互用MDM等）来提高传输媒质内的通信容量。因此，建立在集成光路基础上的片上光互联被认为是一种极具潜力的技术，能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈。

▲图3：光子芯片展望

回顾光芯片发展历程，早在1969年美国的贝尔实验室就已经提出了集成光学的概念。但因技术和商用化方面的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。

近年来随着技术的发展，包括硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种材料体系已被用于研发单片集成或混合集成的光子芯片。

在过去数年里，光子集成技术的发展已经取得了许多进展和突破。

据了解，目前纯光子器件已能作为独立的功能模块使用，但是，由于光子本身难以灵活控制光路开关，也不能作为类似微电子器件的存储单元，纯光子器件自身难以实现完整的信息处理功能，依然需借助电子器件实现。因此，完美意义上的纯“光子芯片”仍处于概念阶段，尚未形成可实用的系统。严格意义上讲，当前的“光子芯片”应该是指集成了光子器件或光子功能单元的光电融合芯片，仍存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题。

光子集成电路虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。光子芯片需要与成熟的电子芯片技术融合，运用电子芯片先进的制造工艺及模块化技术，结合光子和电子优势的硅光技术将是未来的主流形态。

▲图４：硅基光电子集成芯片概念图

高速数据处理和传输构成了现代计算系统的两大支柱，而光芯片将为信息传输和计算提供一个重要的连接平台，可以大幅降低信息连接所需的成本、复杂性和功率损耗。随着光芯片技术的发展迭代，大型云计算厂商和一些企业客户的需求都在从100G过渡到400G，400GbE的数据通信模块出货量翻了一倍，在2021年达到创纪录的水平。

由此可见，光器件行业整个产业链都在持续向满足更高速率、更低功耗、更低成本等方向演进升级，800G及更高速率产品也逐渐开始使用，不同细分领域都面临新技术的迭代和升级。

迄今为止，硅光子商业化较为成熟的领域主要在于数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等光连接领域，800G及以后硅光模块性价比较为突出。

新思科技领跑光芯片赛道

由于涉及大量复杂的混合信号，光子代工过程非常困难，验证设计的工作原理也非常困难，与制造厂合作进行PDK开发和仿真是创建强大的设计生态系统的关键。

新思科技光电统一的芯片设计解决方案OptoCompiler可助力开发者更好地在硅光平台上进行创新，为光子芯片提供完整的端到端设计、验证和签核解决方案。OptoCompiler将成熟的专用光子技术与业界领先的仿真和物理验证工具相结合，开发者能够对复杂的光子芯片进行快速、准确的设计和验证。

近期，新思科技与瞻博网络联合成立了面向硅光子市场的OpenLight公司，旨在加速高性能光子集成电路的开发，OpenLight将其激光集成作为其技术的一个关键优势，希望能够吸引那些希望为硅光子应用生产芯片的客户。

OpenLight技术已通过Tower Semiconductor的PH18DA制造工艺的资格和可靠性测试，通过将用于半导体激光器的磷化铟材料直接加工到硅光子芯片上。

光芯片，已成为当前业内关注的焦点。随着摩尔定律脚步的放缓，探索新的技术已经成为目前半导体领域的关键任务。将光子和集成电路的电子结合在一起，甚至是用光子替代电子形成“片上光互联”，以实现对现有光模块产业链的重塑，正成为半导体行业数个“颠覆式创新”中的重要方向之一。