重塑高速传输与AI计算时代的硅光子

随着摩尔定律脚步的放缓，业界将目光聚焦到了光子，在集成电路中将光子和电子结合在一起，甚至是用光子替代电子形成“片上光互联”，不仅在实现对现有光模块产业链的重塑，也成为半导体行业数个“颠覆式创新”中的重要方向之一。

硅光子为什么引人关注？

要回答这个问题，就要先从光子学谈起。光子学的目标是利用光来实现通信、数据传输、信息处理等传统电子设备所实现的功能。光纤传输信息的发明推动了光子技术在电讯行业的广泛应用，与此同时，光子技术还出现在了医学诊断、生物和化学检测、生产制造等更加广阔的技术应用领域中。

在此基础上，集成各种不同光学器件或光电器件的光子集成电路技术(PIC，Photonic Integrated Circuit)应运而生。与我们熟知的基于硅材料的集成电路技术类似，PIC技术的核心，也是希望通过将很多的光学元器件集成在一个PIC单片之中，使得系统尺寸、功耗和可靠性得到大幅度提高，并同时降低系统成本。

目前PIC所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）等，但是昂贵的价格严重制约了它们的商业化进程。此外，当前的相干产品主要是100G速率，在光源端采用外部光源加放大器的形式，但是CFP和CFP2这两种封装体积过大，功耗也比较高。

考虑到光信号在被氧化硅包裹的硅中传播时几乎不会发生衰减，而且硅材料本身价格低廉且在半导体工艺中已实现成熟应用，于是半导体巨头纷纷把目光转向硅光子，探讨光子和电子结合的可能性，硅光子(Silicon Photonics)/硅基光电集成(OEIC)技术应运而生。

所谓的硅光子技术，就是在硅基上同时制造出电子器件和光子器件，将电子器件(Si-Ge量子器件、HBT、CMOS、射频器件、隧道二极管等)、光子器件(激光器、探测器、光开关、光调制器等)、光波导回路集成在同一硅片或SoC上。其优势主要体现在相干调制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的温控设计，可以大幅解决了基于化合物半导体光芯片产品的缺陷和成本，进而下沉到核心与汇聚层。

这样，当面对400G+网络速率传输时，光学连接便可以开始进入新的阶段，可插拔光学收发器将会主要采用硅光技术的芯片。在新技术中，光子链路连接到同一封装中的高性能IC，同时借助外部激光器提供光源。该封装通过光纤连接到另一个采用光子链路的模块，从而形成封装到封装高速互连，同时大幅降低功耗。

但很显然，将电子接口、数字电路和高速模拟混合信号电路与光学元件组合在同一硅片上，并不是一件容易的事情。尽管目前来看，在硅基探测器(Ge探测器)、光调制器(Si-Ge调制器)、光开关、光波导等领域实现了一定程度的突破，但“在同一芯片上集成光子和RF CMOS电路讲求精妙的平衡，将其全部集成到硅中，我们便可充分利用硅制造技术的规模、成本和工艺控制优势。”格芯(GLOBALFOUNDRIES)硅光产品线副总裁Anthony Yu说。

光进，铜退

Yole预测称，硅光光模块市场将从2018年的约4.55亿美元(相当于130万个)增长到2024年的约40亿美元(相当于2350万个)，复合年增长率达44.5%。而LightCouting的数据显示，2022年，硅光子技术将在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越传统光模块预测。而到2024年，硅光光模块市场市值将达65亿美金，占比高达60%，而在2020年，这一数字仅为3.3%。

2017-2023年全球光模块市场规模及结构预测(资料来源：Lightcounting)

尽管目前垄断高速数据传输市场的核心器件仍然是传统光模块。但得益于硅光子具有的高速数据传输、高带宽以及低功耗等前景优势，当今的高性能计算、电信、军事、国防、航空航天、医疗和研究应用对其青睐有加，2021年有望成为硅光模块加速出货的第一年，市场正式启动。

2020-2025年硅光核心应用市场

• 高性能计算

目前，高性能计算中的计算机站间、机柜间主要采用光纤实现光互连，电路板间、芯片间和芯片内的互连主要依靠铜线等金属进行连接。当前主流的100G网络系统下，相干光通信技术和波分复用技术已被大量应用，随着流量的继续快速攀升，后续骨干网向400G、800G甚至1.6T演进，单模光纤100Tb/s的传输速度或成为门槛，而解决这一难题的办法就是采用硅光子器件来提高传输速率。

由于受到RC(电阻电容)延迟经典物理效应的限制，行业正在迅速接近电气I/O性能的实际极限。随着计算带宽需求不断增长，电气I/O的规模无法保持同步增长，从而形成了“I/O功耗墙”，限制了计算运行的可用能源。因此，硅光技术在片上互连、片间互连应用中Pb/s量级的传输速率，被业界视作是“推动计算机光互连甚至是光计算的革命”。

打一个更形象的比喻，由于硅光的传输距离和数据传输速率是铜缆的6500倍和8倍以上，因此在400Gbps的传输速率下，硅光可支持长达32,808英尺(约10公里)的传输距离，超过了珠穆朗玛峰的高度。

• 5G核心骨干网

5G时代，网络端口接口速率全面提升，接入层、汇聚层、核心层的光模块相应升级。例如接入层接口速率已经从6G/10G提升至25G；汇聚层接口速率从25G/50G提升至50G/100G；核心层接口速率从100G/200G提升至200G/400G，逐步引入硅光子技术，对确保实现高速度大容量的数据传输至关重要。

• 超大型数据中心

根据Equnix预测，2017年-2021年全球互联网带宽容量以48%的年复合增长率增长，2020年将正式进入400G时代，并有望于2022年进入800G时代。

带宽容量的增长，源于数据流量的爆发。预计到2021年，每年的IP流量为20.6ZB(zettabytes,1ZB相当于10亿TB)，而在2017年，这个数字是每年9.1ZB。格芯方面提供的数据显示，到2024年，由于CAGR高达44.5%，硅光收发器(包括基于III-V化合物半导体和硅光的模组)将占40亿美元市场的大部分，硅光子技术对于提高网络设备的密度和能效具有至关重要的作用。

另一方面，高昂的成本也迫使产业界通过技术升级降低光模块的单价。目前，一个典型的超大型数据中心拥有超过10万台服务器和5万多个交换机，它们之间的连接需要超100万个光模块，花费在1.5亿美元至2.5亿美元之间，占据数据中心网络成本的60%，超过交换机、NIC和电缆等设备的总和。而硅光模块虽然当前工艺难度大，封装成本较高(约在1.5-2美元/GB)，但其成本理论上有望降至0.3美元/GB，在规模量产情况下更具成本优势。

悄然进入硅光市场的格芯

硅光光模块与传统光模块产业链的主要区别在于光芯片部分，是高度集成的单芯片，而不是传统的分离多器件的组合，其余产业链环节是相同的。其中，Intel走的是一体化IDM模式；代工厂如GLOBALFOUNDRIES (格芯)、TSMC(台积电)、Silex、APM和VTT，都在积极研发硅光子规模制造工艺；Luxtera、Sicoya、Rockley、Inphi、Acacia在硅基光电集成收发芯片的设计方面走的较为靠前。

Anthony Yu最近分享了一些关于格芯硅光业务的最新情况。他表示，格芯一直都在用其90nm平台来满足数据中心市场的需求，但未来的目标将是以TB/s级速率实现芯片到芯片互连，而“0.5Tbps/光纤这一行业最高单位光纤数据传输速率”和300mm晶圆量产优势，将是帮助格芯在硅光子市场“摧城拔寨”的两把利器。

作为业内为数不多的可提供硅光解决方案的晶圆厂，格芯开始涉足硅光业务的时间最早要追溯到2015年，通过收购IBM旗下的微电子业务，格芯获得了IBM十多年来在研究RF-SOI(射频绝缘体上硅)时积累的硅光专业知识，并最终在此基础上形成了硅光技术。之后，2016年，格芯宣布了其面向5G前传和内部数据中心(IDC)市场的硅光路线图，目标是在10公里或更短的距离内提供40Gb/s的带宽。

2017年，格芯与专注开发硅光学I/O解决方案的初创公司Ayar Labs展开了合作，双方利用格芯的45nm CMOS制造工艺和Ayar的CMOS光学I/O技术合作开发差异化硅光解决方案并实现商用。据这两家公司表示，该解决方案提供的带宽比传统铜I/O高出10倍，而功率却是传统铜I/O的五分之一。

格芯与Ayar Labs合作开发的硅光解决方案

随后的三年时间里(2017-2019年)，格芯和Ayar Lab的合作取得了重大进展，如去年与Intel联合封装的超级计算芯片被用于其DARPA PIPES(极端可微缩性封装中的光子学)项目。该项目的目标就是利用光学I/O来实现高数据吞吐量、超低功率并支持更远的至CPU/SOC的传输距离。

2018年，格芯宣布基于300nm晶圆认证了其首个90nm RF-SOI制造工艺，并利用其构建了硅光平台90WG。该平台能够提供35GHz带宽的解决方案，支持客户端数据传输速率达到800Gbps，同时使数据传输距离增加到120km。当时，格芯还宣布将于2021年在其纽约州马耳他晶圆厂生产下一代45nm硅光平台。

整合数字RF功能与光学器件的格芯45nm 硅光平台

在2019年，格芯还宣布与MACOM建立了新的合作伙伴关系，将硅光技术扩展到超大规模云数据中心和5G网络。为实现这一目标，两家公司宣布将使用格芯的光子产品90WG来增强MACOM的创新激光光子集成电路(L-PIC)平台，以期为超大规模数据中心互连和100G、400G及以上的5G网络部署实现主流L-PIC部署

目前，格芯的硅光子产品组合包括两类：

• 基于90nm技术构建的行业首款硅光子解决方案，具备：

单颗芯片集成射频、数字元件、硅光子和光纤耦合

PDK支持在1310 nm波长的协同设计光学和电学组件

从晶圆级到模块级，对测试设备广泛投资，包括基于实时测量结果，对硅光子制造流程实施微调的晶圆表征

通过具成本优势的多项目晶圆(MPW)运行，快速生产原型

• 针对下一代、更高数据速率系统的强大开发路线图，包括：

300mm制造和先进光刻，旨在实现一流的性能和良率

经过优化的组件，用于实现极化、波长差异、低功耗和低损耗

面向50+ Gbaud系统的高带宽射频/模拟互联

格芯90WG与45nm 硅光工艺的差异

当然，除了提供晶圆制造服务外，格芯还提供对基于硅光子学的PIC至关重要的混合集成技术，如激光连接、以及用于端面耦合器处光纤放置的V-groove制程等。

除了高速数据传输外，Anthony分享的另一个硅光子技术的应用领域同样引人注目，那就是AI计算领域。在今年举行的Hot Chips 32大会上，初创公司Lightmatter就展示了用于通用人工智能加速的光子计算测试芯片。该芯片包括数字电路和光子芯片两部分，计算主要在光子芯片中完成，整个芯片面积为150平方毫米，采用了格芯3D封装堆叠技术，包含超过十亿个FinFET晶体管、数万个光子算数单元和数百个记录设置数据转换器。

Lightmatter用于通用人工智能加速的光子计算测试芯片

其中，光子芯片使用格芯90nm标准硅光子工艺实现，可以实现8TOPS的峰值算力，整体芯片组的功耗为3W，能效比相比传统基于CMOS工艺的数字芯片来说毫不逊色，展示了光计算未来的巨大潜力；数字部分则采用格芯12nm Leading-Performance FinFET工艺制造，运用Arm 3D网状互连技术，核心间数据通路更为直接，可降低延迟，提升数据传输率，满足数据中心、边缘计算和高端消费电子应用的需求。

结语

过去两年间，格芯已经将战略重心转向如何成为一个创新型的领导者，为广泛的细分市场提供功能丰富的差异化解决方案。显然，硅光子制造技术正是其中之一。而在这一战略指引下，目前，根据Moor Insights & Strategy咨询公司的创始人、总裁兼首席分析师Patrick Moorhead格芯已占据硅光晶圆业务10%的市场份额，如果继续以这样的速度发展下去，该公司将成为一股不可忽视的力量。