迎接硅光子时代：开启超高速数据传输新篇章

随着人工智能(AI)和量子计算等前沿领域的快速发展，GlobalFoundries、Tower Semiconductor以及多家公司正积极迎接硅光子技术带来的新机遇。这项新兴技术有望为二线代工厂带来竞争优势，并推动全球芯片制造技术的多样化发展。

根据市场研究公司Yole Group的预测，硅光子技术市场虽目前规模较小，但预计将以42%的复合年增长率(CAGR)增长，到2029年将达到8.5亿美元。这一增长主要是由最新800G收发器的需求驱动，并伴随着对光纤网络容量提升的需求以传输海量数据。

生产硅光子器件的代工厂无需最先进的工艺技术，即可制造出低功耗高速数据传输的芯片。这种新技术通过产生光信号而非电信号，从而加速数据传输，并降低人工智能数据中心的能耗。

据Yole报道，随着人工智能的机器学习数据集的规模不断膨胀，光传输已成为服务器数据传输不可或缺的技术。

Yole的光子技术分析师Martin Vallo在接受笔者采访时提到，从2023年3月开始，谷歌和亚马逊等超大规模数据中心客户以及顶级人工智能芯片制造商NVIDIA开始增加对800G收发器的需求。

“这种激增导致了订单和补货量持续增加，从根本上改变了行业趋势。”他指出。

这些800G收发器的数据传输速率是上一代400G收发器的两倍，可在AI基础设施和大型AI/机器学习(ML)集群中提供超高速、高带宽通信。

GlobalFoundries

GlobalFoundries高级总监Vikas Gupta在接受笔者采访时表示，随着对更高数据速率和更低功耗的需求成为数据中心发展的关键，硅光子技术正在成为领跑者。

Vikas Gupta。(来源：GlobalFoundries)

目前，用于数据中心的许多光子器件都具有可插入交换机或GPU板的标准化插头。这种可插拔形式正在转向基于硅的共封装光学器件，在这种光学器件中，转换接口更靠近计算资源。

“由于这些接口更靠近电子设备，因此可以降低功耗，因为现在系统设计人员不必考虑铜线上发生的所有信号完整性损耗，甚至在电路板层面也是如此。”Gupta表示，“硅光子技术有能力也有机会大幅降低数据中心的损耗，同时保持或提高下一代数据中心所需的数据速率。”

能效的典型指标是每比特皮焦耳。

“使用硅光子的共封装光学器件有能力将每比特功耗降至5皮焦耳甚至1皮焦耳以下。”Gupta表示，“我们已有客户在硅片上演示了每比特5皮焦耳的功耗。预计下一代芯片的每比特功耗将远低于5皮焦耳。”

Gupta补充说，GlobalFoundries有几个客户流片即将完成原型设计阶段。

“至少从收发器和数据通信方面来看，我们目前已有几个客户准备投入生产。”他表示。

GlobalFoundries的量子计算客户包括PsiQuantum和Diraq，他们正在购买光子产品。PsiQuantum已在GlobalFoundries位于纽约州马耳他的工厂采用标准的45nm氮化硅光子技术工艺制造了光子芯片。

即便如此，这家量子计算公司仍不得不在GlobalFoundries工厂安装自己的工具才能开始生产。

“硅作为一种材料，在调制器等产品中已经失去了潜力，预计还会出现其他材料，如薄膜铌酸锂或钛酸钡，或者需要在硅光子裸片上附加磷化铟，用于激光器或半导体光放大器。”Gupta表示，“一旦你开始讨论这些非硅基的不同材料，显然会有一些专门针对硅光子的改造要求。一旦我们开始讨论将硅异质地附着到不同的硅光子材料上，这就需要特定的工具。至于具体是在晶圆厂内或晶圆厂后进行，这取决于技术。目前，在硅光子晶圆厂内，工具的使用量很大。”

组装和测试公司是供应链中的瓶颈之一。

Gupta表示：“外包组装和测试(OSAT)厂商正意识到这是一个增长迅速的市场，他们需要从最底层进入这个市场。”2022年，GlobalFoundries与Fabrinet在硅光子封装领域建立了合作伙伴关系。

全球研发组织imec表示，它已经解决了许多与封装相关的问题。

OpenLight

OpenLight是一家2022年从瞻博网络(Juniper Networks)和新思科技(Synopsis)分拆出来的公司，该公司设计硅光子芯片，并授权其相关的专利使用费和知识产权。

“硅光子技术的一个好处是，你不必降低工艺节点。”OpenLight公司首席执行官Adam Carter在接受笔者采访时表示，“我们在Tower Semiconductor采用了45nm的BiCMOS工艺，不需要追赶更先进的工艺节点。”

Carter表示，这家成立于2022年的初创公司已有六位客户使用Openlight的工艺设计套件将其设计移植到Tower。Carter在2023年1月加入该公司担任首席执行官时还只有两位客户，目前共有约15位客户。

该公司正在建立一个硅光子制造合作伙伴生态系统，其中包括Synopsis等设计软件提供商和捷普(Jabil)等封装公司。

“这是我们的工艺，”Carter指出，“我们监控键合收益率等，并根据所要键合的工艺技术开发不同的配方。”

OpenLight公司有三种光子工艺，其中两种已在Tower建立。

OpenLight在两年前成立时提供了首个标准工艺。接下来的两种工艺分别用于汽车传感和数据中心。该公司不久将为数据中心工艺提供分布式反馈激光器(DFB)。

“DFB激光器将真正推动数据中心领域的人工智能发展。”Carter表示。

台积电和英特尔

世界顶级代工厂台积电也在生产光子芯片。

台积电在一封电子邮件中告诉笔者，该公司的路线图是在2024年将COUPE应用于可插拔设备中，随后在2026年将COUPE应用于衬底上晶圆上芯片(CoWoS)共封装光学解决方案中。COUPE是紧凑型通用光子引擎的缩写，是台积电用于堆叠硅和光子技术的名称。

该公司表示，其正在探索CoWoS中介层上的COUPE。

2024年6月，英特尔集成光子解决方案事业部展示了该公司所谓的业界最先进、有史以来第一个与英特尔CPU共封装并运行实时数据的全集成光计算互连芯粒(Chiplet)。

英特尔表示，其光子芯片封装在可插拔收发器模块中，部署在主要超大规模云服务提供商的大型数据中心网络中，用于100G、200G和400G应用。该芯片制造商正在开发200G通道光子芯片，以支持新兴的800G和1.6T应用。

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：Silicon Photonics Set for Takeoff，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。