硅光芯片异军突起,在芯片领域引领了一场变革,融合光子和电子优势,突破摩尔定律限制,满足人工智能、云计算带来的爆发性算力需求。预计未来三年,硅光芯片将承载大型数据中心的高速信息传输。
（图片来源：傲科光电）
随着摩尔定律逐渐变缓，硅光技术是延续摩尔定律的发展方向之一。当格芯推出硅光代工平台，誓要成为领先硅光子代工厂；长电科技预测硅光封装成为未来趋势之时，这项早在上世纪提出的技术，正悄悄改变着半导体行业。
云时代带来的海量数据、逼近极限需要解决的节点间隙，这些可以通过光子解决的问题，正一步一步推动着硅光子前行。近日，荷兰决定投资11亿欧元，以促进新一代硅光子技术企业的发展，为打造下一个阿斯麦做好准备。这11亿欧元中，4亿7100万欧元来自于荷兰政府，其余的投资则来自于荷兰埃因霍温理工大学和特文特大学等合作机构。荷兰的此项投资是为了抢占未来半导体市场，发掘类似阿斯麦的新尖端企业的战略。
硅光子技术是什么？
早在上个世纪90年代，IT从业者就开始为传统半导体产业寻找继任者，光子技术一度被认为是最有希望的技术。
硅光是以硅光子学为基础的低成本、高速的光通信技术，利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备，融合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性以及光子技术超高速率、超低功耗的优势，把原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到一个独立微芯片中，实现高集成度、低成本、高速光传输。
硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。
在芯片技术的发展过程中，芯片的尺寸可谓是越做越小。台积电与三星在芯片代工上的较量某一方面就体现在3nm、2nm这种精密制程的优先量产上。随着芯片制程的逐步缩小，互连线引起的各种效应成为影响芯片性能的重要因素。电路和计算机系统专家杰克·赫兹（Jake Hertz）就撰文称，芯片互连是目前的技术瓶颈之一，而硅光子学则有可能解决这一问题。
互连线相当于微型电子器件内部的街道和高速公路，可将晶体管、电阻、电容等各个元件连接起来，并与外界进行互动交流。当芯片越做越小时，互联线也需要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的寄生效应也会越来越影响电路的性能。常见的互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管等，而这些材质的互联线无疑都会遇到物理极限，而光互连则不然。在各种光互连方案中，硅基光互连技术被认为是最有发展前途的一个方案。
阿里巴巴达摩院称，在光通信中，信号是以光的形式在网络内进行传播，但使用信号的终端却以电作为信息传递的媒介。因此，硅光芯片就成为了实现光电信号转换的关键部件，通过发送端和接收端两个端口的连接模块，其中发送端把电信号转换成光信号，接收端再把光信号转换成电信号。
“旧技术”硅光子技术再次被重视
其实，硅光子技术并不是一项刚刚诞生的新技术。早在上世纪九十年代，IT行业人士就提出了与光子计算有关的一些概念，它们都是为了在芯片发展到物理极限后取而代之，以延续摩尔定律。
此后，IBM、英特尔、已被甲骨文收购的Sun Microsystems等公司均设立独立硅光子部门进行深入研究。2006年，英特尔和加州大学圣芭芭拉分校研发出世界上首款采用标准硅工艺制造的电子混合硅激光器。2008年，英特尔推出“雪崩硅激光探测器”，它一举将硅光子技术的增益带宽积提升到340GHz。但想要在纳米级上实现这一技术却并不容易，硅光子技术的发展目前来看远不及遵从摩尔定律挖掘芯片制程的潜能。随着摩尔定律逐渐遭遇天花板，硅光子技术的投入研发再次被重视。
在制造工艺上，光子芯片和电子芯片虽然在流程和复杂程度上相似，但光子芯片对结构的要求不像电子芯片那样严苛，一般是百纳米级。这大大降低了对先进工艺的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。
目前，越来越多的科技公司开始加大对硅光子技术领域的研发投入。
硅光技术发展前景广阔
2021年底,阿里巴巴达摩院发布了2022十大科技趋势,分别是:AI for Science、大小模型协同进化、硅光芯片、绿色能源AI、柔性感知机器人、高精度医疗导航、全域隐私计算、星地计算、云网端融合以及XR互联网。
其中,硅光芯片异军突起,在芯片领域引领了一场变革,融合光子和电子优势,突破摩尔定律限制,满足人工智能、云计算带来的爆发性算力需求。预计未来三年,硅光芯片将承载大型数据中心的高速信息传输。
格芯日前宣布推出新一代硅光子平台GF Fotonix，与包括博通、思科、美满电子和英伟达等公司合作，以此解决数据激增问题。GF Fotonix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。
同时，新思科技也与格芯加强合作，以光电统一芯片设计解决方案OptoCompiler支持GF Fotonix平台。OptoCompiler可为光子芯片提供完整的端到端设计、验证和签核解决方案，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。
芯片光学公司Ayar Labs近日宣布获得了由Boardman Bay Capital Management领投的1.3亿美元的C轮融资，在长长的投资名单中，英伟达、惠普和英特尔都有参投。本轮融资将被用于推动突破性I/O（Input/Output）光学解决方案的商业化进程。AyarLabs是由英特尔前高管Charles Wuischpard创立，致力于用高性价比的硅加工技术开发出高速、高密度、低功率的光学互连 “芯片”和激光器。
光网络模块市场预计2021年至2026年间的复合增长率为26%，到2026年可能达到40亿美元。目前，硅光子技术主要用于通信领域，后续将逐步扩展到人工智能 (AI)、激光雷达和其他传感器等新兴应用中。根据市场调研机构Yole Développement的预测，整个硅光子芯片市场总额规模在2026年将超10亿美元。
本文内容参考全球TMT、半导体产业纵横、AI芯天下、新浪财经综合报道
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