前不久，在美国加州的Hot Chips会议上，英特尔展示了一款1TB/s硅光子互连8核528线程处理器。另据报道，台积电将投入超过200人的研发团队，携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子及CPO（共封装光学器件），瞄准2024年陆续到来的基于硅光子工艺的超高速计算商机。
事实上，在新兴硅光子新赛道，英特尔、英伟达、思科、博通、台积电和格罗方德已形成了共舞一曲华尔兹的格局。他们在硅光子领域的研究和应用各有侧重，也有很多交叉和合作，通过优势互补和资源共享，旨在共同推进硅光子技术的发展，开拓更广泛的市场和应用。
硅光子技术用途广泛
硅光子技术用激光束代替电信号传输数据，是一种低成本、高速的光通信技术。它基于制造硅光子集成电路（PIC）的平台，是唯一可以和成熟的CMOS工艺兼容的平台，使硅光子在集成光学中具有不可替代的地位。
自1985年以来，硅光子取得了重大进展，从高约束波导光学器件发展到战略性地采用CMOS工艺、集成和封装技术，确立了其在收发器领域的主导地位。早在2010年，英特尔实验室通过混合硅激光器技术的集成激光器，首次实现了基于硅光子的数据连接。
自从第一个PIC商用以来，将PIC与EIC集成在一起一直是一个选择。因为从商业化和上市角度看，仅使用EPIC（电子与光子集成电路）虽然在技术上很卓越，但当光子元件比电子元件大几个数量级时，芯片成本就会成为问题。为此，人们采用多芯片2.5D或3D集成方式，将昂贵的单片PIC和EIC集成在一起。
PIC和EIC的不同连接技术
近年来，英伟达的AI（人工智能）超级计算解决方案为光通信发展带来了新的机遇。伴随数据中心计算和存储需求的不断增长，传统的电信号传输已难以满足需求。光通信技术具有高速、低延迟、低损耗等优势，可大大提升数据中心的性能和效率。
在数据中心AI和ML（机器学习）推动下，硅光子技术及CPO有助于突破当前计算架构的限制，满足高性能计算的海量数据传输需求。得益于硅的卓越性能，硅光子能够为要求高容量可扩展性的应用提供一个通用平台，特别适用于英特尔主导的数据中心，第二大应用领域是Acacia电信应用。Acacia是一家高速光纤传输智能收发器领先供应商，已被思科以45亿美元收购。
在光学激光雷达、医学应用和量子计算等领域硅光子也有应用前景。光学激光雷达系统有很大的潜力，但面临成本和2D光束扫描的挑战。将两个芯片放置在同一硅基板上的3D集成对无缝控制至关重要。
光学量子计算在AI和ML领域发挥着关键作用，是效率关键型任务的理想选择，较电子计算技术在运算效率和能耗上有显著的优势，应用有望进一步拓展。
光学陀螺仪需要相当大的芯片来制造敏感的旋转传感器，硅衬底和SiN波导可以解决这个问题。
先进的光子组件及其对医疗用途的集成可以赋能医疗保健，实现更快、更精确的诊断、治疗和患者监测，当然还要克服临床应用的监管和标准化挑战。
硅光子市场前景广阔
Yole集团旗下Yole Intelligence指出，硅光子在光学互连和DC（数据中心）网络等应用中越来越受到关注，特别是将激光器连接到硅PIC的技术，以及在CMOS/代工/兼容器件、电路、集成和封装方面的进步。
Yole认为，将硅光子扩展到可见光谱对未来发展具有重要意义，可以实现广泛的创新应用。2022年，硅光子市场价值6800万美元，预计2028年将以44%的复合年增长率增长至6亿美元以上。这主要是由增加光纤网络容量的800G高数据速率可插拔模块推动。此外，对快速增长的训练数据集的预测表明，高数据速率模块和ML服务器中将越来越多地使用光I/O来扩展光模型。为此，硅光子行业对其未来的解决方案和价值充满信心。
硅PIC芯片应用收入增长预测
硅光子代工厂和行业日益增长的专业知识越来越容易被更多公司使用，进而提高数据传输速度、降低能耗并实现各种应用，使其成为一个很有前景的增长领域。
在数据通信市场，英特尔以61%的市场份额领跑，其次是思科、博通。不过，随着投资组合的加强和其他参与者的商业化，英特尔的主导地位将被减弱。
电信市场由相干可插拔ZR/ZR+模块驱动，思科（Acacia）占据近50%份额，其次是Lumentum（Neophotonics）和Marvel（Inphi）。
数据通信和电信模块收入市场份额
持续研发+战略合作
从产业格局来看，参与硅光子的主要IDM有英特尔、思科、Marvell、博通、英伟达、IBM等；初创设计公司有AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightlligence等；研究机构有加州大学旧金山分校、哥伦比亚大学、斯坦福工程学院、麻省理工学院等；代工厂有格罗方德、Tower Semiconductor、IMEC、TSMC等；设备供应商有Applied Materials、ASML、Aixtron等。
在研发方面，英特尔投入最多，许多初创公司则专注于特定应用或新技术。除了超大数据中心的数据通信为硅光子带来大部分收入外，台积电、英特尔、英伟达、AMD、格罗方德等领先半导体公司仍在投资许多其他应用。
英特尔的硅PIC
硅光子行业的特点是持续研发和战略合作伙伴关系，并通过代工厂不断增加的产能推动技术的发展。所有这些参与者都为硅光子的显著增长和多样化做出了贡献。
硅光子是一种先进的技术，在制造方面，利用现有CMOS工艺开发和集成光器件，需要结合超大规模、超高精度集成电路制造技术和超高速率、超低功耗光子技术优势，以应对摩尔定律失效的影响。
目前，中国公司尚缺少所需的高制造技能，处于原型或采样水平，主要依靠外部合作伙伴供应硅光子收发器或光学引擎。英特力-立讯精密-博创科技和熹联光芯-博创科技就是数据通信领域这种合作的例子，而华为和中兴通常是从思科或诺基亚购买PIC。
硅光子技术路线聚焦集成
硅光子发展路径是一个不断集成的过程，从最初的超低损耗波导到单个器件，到混合集成和异构集成，再到单片集成和大规模多功能化。近年来，各种电折射和电吸收材料的集成为新的硅光子应用开辟了新的途径，能够实现CPO、量子信息处理、量子密钥分配（QKD）微梳（Micro-comb）激光器、光子神经网络、固态激光雷达片上系统、片上光谱气体传感器等各种应用。
硅光子集成路线图
尽管硅作为光发射器有一些缺点，但最新突破引入了在硅上制造有源光学元件的创新方法，并在短短几年内实现了大规模生产。
值得注意的是，硅光子主要是通过量子点（QD）激光器进行单片集成。硅是一种间接带隙半导体，内部量子效率相对较低，而直接带隙III–V材料的效率接近100%，因此需要予以关注。传统的III-V族半导体材料InP（磷化铟）PIC需要五到六个再生长步骤，既昂贵良率又不高。
异构集成提供了同时结合多种材料、键合和加工的优势。不过，III–V衬底都不足300mm，成本比较高，这是人们对单片集成越来越感兴趣的原因所在。因此，片上激光器单片集成技术将是实现高密度、大规模硅光子集成的很有前途的方法。
QD激光器已经证明其固有参数超过了QW（量子阱）器件，具有更长的寿命，同时对材料缺陷表现出很大的容限，可实现QD激光器的硅上外延集成，具有高温稳定性、降低冷却要求、增加窄线宽激光器带宽的特点。
事实上，硅光子领域的衬底或材料很多，如薄膜LiNbO3（TFLN）、SiN、BTO、GaAs等，都具有相当的潜力。其中，硅基薄膜TFLN进展迅速，已被证明对创建高速调制器非常有效。
另外，如果将硅PIC与硅集成电路比较，在集成规模上存在明显差异，后者已缩小到几纳米，而硅光子不需要3nm光刻，45nm完全适合生产高性能、高质量的硅PIC，所以可以采用较低光刻水平的代工厂来提升成本效益。
高性能计算看好CPO
随着技术进步，能够在商业系统中更紧密地集成通信和计算技术的网络硬件越来越多。此外，AI模型的规模正在以前所未有的速度增长，传统架构（铜基电互连）的芯片到芯片或板到板的能力将成为扩展ML的主要瓶颈。因此，针对高性能计算（HPC）及其新的分解架构，出现了新的极短距离的光学互连。分解设计区分服务器卡上的计算、内存和存储组件，分别对它们进行池化。通过先进的封装内光学I/O技术，在各种处理单元（xPU），特别是中央处理单元（CPU）、数据处理单元（DPU）、图形处理单元（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA）和ASIC、存储器和存储器都可以中使用基于光学的互连，以实现必要的传输速度和带宽。
数据中心的CPO
中国厂商的机会
中国大陆对于硅光子产业的投入也不容小觑，因为硅光子芯片制造可沿用既有的十分成熟的CMOS工艺与机台，且主流工艺在45到90nm，这对擅长IC设计但工艺相对落后的半导体产业而言，不失为推动国内半导体内循环策略的最佳捷径。
以华为为例，2012年收购了英国集成光子研究中心CIP Technologies；2013年收购了两家从事硅光子技术开发的比利时公司：Caliopa和Caliopa NV。
中国政府早在1988年就创建成立了武汉东湖高新区光电园——中国光谷，全力打造硅光子相关技术。2021年，中国信科光纤通信技术和网络国家重点实验室联合国家信息光电子创新中心（NOEIC）、鹏城实验室，在国内率先完成了1.6Tb/s硅基光收发芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光芯片技术向Tb/s级的首次跨越，为我国下一代数据中心内的宽带互连提供了可靠的光芯片解决方案。未来，国内这方面的研究和商业化值得期待。
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