随着人工智能等数据中心新应用的出现，用于数据中心的基于硅光子技术的数据互联市场也在逐渐变热。三月是硅光技术非常热闹的一个月，AMD/Xilinx刚宣布和Ranovus合作发布了一款将Versal ACAP和Ranovus的Odin光通信模组集成在一起的系统，Marvell也同时发布了其400G DR4硅光平台，而GlobalFoundries也发布了其硅光子工艺平台Fotonix。本文将对硅光子技术的前景做一些分析，我们认为在未来硅光子技术会在数据中心中扮演越来越重要的角色，且其技术发展将会向着成本和功耗更低、体积更小的方向演进。

硅光子技术在数据中心中的应用

传统上，基于光的通信主要是用在长距离高速通信中，例如大家熟悉的光纤宽带入户就是这样的长距离高速有线通信的一个重要例子。在数据中心中，常用的数据互联是基于铜电缆的通信。

然而，在最近几年，随着人工智能等应用的兴起，数据中心中也在走向基于光通信的数据互联。这主要的原因在于，人工智能等应用将对于数据互联带宽的需求大大提升了，而常规的铜电缆互联越来越难以满足需求。例如，在人工智能应用中，数据中心常常需要进行大量分布式计算，而分布式计算中，不同服务器之间需要频繁的大量数据交换，数据互联的带宽往往会限制整体任务的性能。这也是大数据时代的一个特点，即算法为了处理海量数据，数据访问的性能和计算性能几乎一样重要，有时候甚至更重要；而随着算法规模越来越大，需要使用多台服务器进行分布式计算的场合也越来越多，因此服务器之间的高速数据互联就成为一个极其重要的核心技术了，而这成为数据中心引入超高带宽基于硅光子的数据互联的主要理由。在几年前，人工智能刚刚兴起时，Nvidia就凭借和Mellanox的合作在机器学习训练中引入基于光互连的InfiniBand从而助力高性能训练，而到了今天类似的超高速光互联已经几乎成为数据中心的标配。

在未来，我们认为大数据和人工智能将继续成为驱动数据中心市场的主要动力。正因为如此，未来数据中心对于基于光的数据互联的需求可望进一步增加，而这也将进一步提升硅光子的市场规模，我们也因此看到了半导体业界的几大巨头都在积极布局相关的硅光子技术。

硅光子技术与CMOS芯片设计

我们认为，硅光子技术目前正在经历一场重要的技术革新，其中的核心技术就是协同封装光子（co-packaged optics，CPO）技术，使用该技术可以把硅光子模块和超大规模CMOS芯片以更紧密的形式封装在一起，从而在成本、功耗和尺寸上都进一步提升数据中心应用中的光互连技术。

CPO技术的主要是指把硅光模块和CMOS芯片用高级封装的形式（例如2.5D或者3D封装）集成在一起。在CPO技术兴起之前，目前的传统技术是把硅光模块和CMOS芯片独立成两个单独模块，然后在PCB板上连到一起。这么做的好处设计较为模块化，CMOS芯片或者硅光模块单独出问题的化都可以单独更换，但是在功耗、尺寸和成本上都较为不利。例如，由于硅光模块的输出是超高速数据，这些数据使用PCB板连接到CMOS芯片上会遇到较大的信号耗损，因此需要恨到的功耗才能支持高数据率。此外，成本上要设计支持超高速信号的PCB也需要较高的开销，而在尺寸上来说分立的硅光模组和CMOS芯片通常集成度更低，这也限制了进一步提升数据中心中的服务器密度。

而CPO就是为了解决这些问题的技术。当使用高级封装技术把硅光模块和CMOS芯片集成到同一个封装内之后，首先硅光模块和CMOS芯片之间的数据连接质量（信号耗损）相比PCB板来说要改善不少，因此能降低功耗；另一方面在大规模量产之后，高级封装也能带来成本上的改善。最后，使用CPO之后，由于都集成在同一个封装内，整体系统的集成度大大提升，尺寸减小，因此也能提升硅光子技术在数据中心应用场景的普及。

目前，众多硅光子领域有投资的巨头都在大力发展CPO技术。如前所述，硅光子技术带来超高速互联是人工智能等分布式高性能计算的核心技术，因此以数据中心为主要市场的公司如Nvidia和AMD都对于CPO有大量布局和投入。Nvidia自从收购Mellanox之后，也进一步强化了其在高性能光互连方面的能力，而在CPO方面Nvidia也公布了其目前的在研技术，即使用CPO技术把GPU和硅光子芯片集成在同一个封装内，以同时支持24路NVLINK，从而实现4.8Tbps的超高速互联。

而在数据中心中与Nvidia直接竞争的AMD则也在大力布局CPO技术，日前公布的和Ranovus的合作我们认为就是AMD对于CPO的重要投资。Ranovus是CPO领域的重要技术创新公司，它和TE Connectivity，IBM和Senko共同研发的CPO技术目前已经实现了把硅光子模块和收发模块以很高的集成度集成在同一块芯片中（而非常规的CPO技术中硅光子模块和收发模块仍然是两块单独的芯片），从而实现了更好的集成度和性能。Ranovus把自己的独特技术称为CPO 2.0，我们也预期AMD通过与Ranovus合作可以进一步提升自己在数据中心光互联领域的能力。

除了主要用于自家高性能计算系统的Nvidia和AMD，Broadcom和Marvell等重要的网络通信提供商也在硅光子和CPO领域有不少投入。Marvell刚刚在OFC大会上发布了其400G DR4硅光芯片，具有很高的集成度，包括收发模块和激光驱动模块，该芯片通过CPO技术和Marvell的Teralynx网络开关集成在一起，实现了超高数据带宽。

硅光技术的工艺平台

在工艺方面，GlobalFoundries是硅光子技术方面的投入程度可能是几家主流代工厂中最积极的。在硅光子技术方面，GlobalFoundries从数年前就开始积极布局，目前能提供先进的硅光子工艺平台，包括各种光波导、相移器、极化器、光二极管等等，除了硅光子工艺之外，GlobalFoundries还提供高级封装选项，帮助客户实现CPO技术。在GlobalFoundries刚刚发布的Fotonix平台中，更是进一步把硅光子和CMOS整合在同一块芯片上，从而能实现更高的性能和集成度。根据GlobalFoundries公布的资料，目前其Fotonix平台的客户包括Broadcom，Marvell，Nvidia，Cisco，Ranovus等硅光子领域的重要厂商，未来前景大有可观。

除了GlobalFoundries之外，Intel也在积极布局硅光子的工艺技术。在高速网络交换芯片市场，Intel正在力推其Tofino方案，其中也包括了自研的硅光子技术和高级封装技术。Intel在这两个领域其实技术积累较为深厚，在六年前，现任Intel CEO Pat Gelsinger（当时还是副总裁）就在力推硅光子技术，并且认为硅光子在未来一定会成为主流技术。凭借Intel在硅光子工艺和封装技术领域的积累，我们认为未来Intel也将会成为该领域的有力竞争者。

总而言之，我们认为在未来，硅光子的主要技术演进将集中在更高集成度，以及和CMOS芯片的封装上面，而先进的硅光子制造工艺以及封装技术将会成为硅光子技术演进的核心技术支撑。

光器件发展趋势推动硅光子技术出现

数据时代流量迅速增长对光通信性能提出更高要求，要求光通信行业做出变革，提高光通信产品的适应性和技术性。数据中心以太网交换机芯片处理高速率流量需求不断提高： 云数据中心的大型化将极大提升光模块的使用量，同时对光模块的传输距离有了 更高的要求，同时驱动了光模块工作速率不断升级。

叶脊网络架构进一步增加光模块需求：传统三层结构IDC网络架构有利于解决南北向数据传输问题（IDC内部与外部之间），然而伴随着虚拟 化、云计算、超融合系统等应用，使得东西向数据流成为主要流量，为了数据中心利用率以及效用最大化，越来越多的数据中心采用了叶脊 类型的网络架构，以叶脊架构为例，光模块总量是机柜数的46倍（传统传统三层架构光模块总量是机柜数的9倍）。

提高每个通道的比特速率，提升比特速率有两个方法:1、直接提升波特率；2、保持波特率不变，使用复杂的调制解调方式（如PAM4、QPSK， QAM16，QAM64等 ）。

硅光模块在高速率下，仍具有器件小、稳定性强和硅材料能耗低的特性，较传统光模块具有一定优势，因此硅光方案被相当一部分数据中心所采 用，硅光产业随即得到发展。

高阶复杂调制，如PAM4、QPSK，QAM16，QAM64等，以提高比特率；以及更高的符号速率等。

1）高阶复杂调制，无法匹配光源信噪比，传输损耗增大：进一步提高系统容量可以采用高阶调制格式如8QAM（8-level quadratureamplitude modulation）或16QAM，但是高阶调制需要更高的OSNR（Optical-Signalto-Noise Ratio 光信噪比）。对于同样的符号速率， 16QAM所需的OSNR比QPSK高近7dB，这意味着在同样的光纤、光放大器和跨段距离的条件下，采用16QAM虽然可以把容量提高一倍，但 无电中继的传输距离会降低5倍。有许多技术可以提高16QAM的传输距离，如采用拉曼光放大器、低损耗和低非线性光纤、编码调制技术、 非线性补偿技术等等。

2）DSP成本高度提升，商用化难度提升：光通信系统速率越高，电芯片成本在系统中的比例就越高，其中DSP芯片成本制约占主。DSP的复 杂程度直接影响了光模块的成本与功耗。在100G时代，电芯片相关厂商有Macom、semtech，sillconlabs，Maxim等，商业化程度较高；而 400G时代电芯片则主要是Inphi、Broadcom、MaxLinear、Macom，供应商较少，规模效应未显。

光通信中主要涉及到的芯片包含光芯片和电芯片。光芯片是光模块中完成光电信号转换的直接芯片，又分为激光器芯片和探测器芯片；电芯片一方面实现对光芯片工作 的配套支撑，如 LD(激光驱动器)、TIA(跨阻放大器)、CDR(时钟和数据恢复电路)，一方面实现电信号的功率调节，如MA(主放)，另一方面实现一些复杂的DSP(数字信号 处理)。光芯片的成本占比通常在40%-60%，电芯片的成本占比通常在10%-30%之间。

由于传统光模块制造过程中封装工序较为复杂，需要投入较多人工成本，而硅光 芯片高度集成，组件与人工成本也相对减少，对于下游封装厂或制造商的要求在 降低，尤其是2024 年后，采用硅光集成技术的光电共封装（CPO）技术预计将会 成为主流模式，传统光模块生产制造企业将会勉励较大的技术挑战。

全球市场占有率将不断提高

光模块是进行光电、电光信号转换的重要光电子器件，是光通信设备的核心器件之一。硅光模块，是利用硅光子技术在硅芯片上集成光模块制造而成，其结合了微电子技术与光电子技术，是一种新型光模块。硅光模块具有功能集成度高、传输速度快、功耗低等优点，在部分应用领域正在逐步取代传统光模块，市场渗透率不断提升。

硅光模块集成多种功能，在实际应用中，与一种功能需要安装一个器件的配置相比，可以降低材料需求、生产成本以及能耗，大幅缩小所需占用的空间。在100G传输网中，与传统光模块相比，硅光模块成本优势较低，但在400G及以上高速率传输网中，硅光模块成本优势明显。随着5G、数据中心行业快速发展，400G以上光模块需求快速攀升，硅光模块行业迎来发展机遇。

2020年以来，大型数据中心、5G基站等建设速度加快，特别是我国5G基站建设迅速，但从全球范围来看，大型数据中心、5G基站建设仍处于初期阶段，预计2021年，将进入快速发展期。在此背景下，全球光模块市场景气度将迅速提升，预计到2025年市场规模将达到180亿美元左右。硅光模块在高速率传输网中优势明显，需求增速将高于传统光模块，市场规模将快速扩张。

根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025年硅光模块行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，预计2021-2025年，全球硅光模块市场将以两位数的增速增长，到2025年市场规模将达到58亿美元左右。2020年，全球硅光模块市场普及率较低，仅为15%左右，在5G与数据中心行业拉动下，预计到2025年其市场普及率将达到45%左右，其中，在高速光模块市场中占有率更高，将达到60%以上。

除了数据通信市场，在非通信市场，硅光子技术的应用也非常广泛。

硅光非通信市场想象空间大

硅光子Fabless商业基础初步形成，将极大扩展硅光市场应用

目前由于硅光发展不成熟，硅光子产业链没有像微电子产业一样完全形成Foundry厂与硅光设计公司分开的产业格局，且硅光子集成度不高， 硅光器件的IP没有完全形成与成熟，所以光器件也一般由Fabless自行设计。

硅光Lidar：潜在应用场景市场价值高

自动驾驶目前是各大公司和投资者重点关注领域。自动驾驶汽车至少需要5类感应器，其中Lidar作为感知的关键环节不可或缺。它主要负责 路上状况感知，如感知行人、路面等，为智能决策提供数据来源。

光子计算：光子矩阵、 片上互联和片间传输取得突破性进展，硅光子赋能计算

据OpenAI统计，自2012年，每3.4个月人工智能的算力需求就翻倍，摩尔定律带来的算力增长已无法完全满足需求，硅光芯片更高计算密度 与更低能耗的特性是极致算力的场景下的解决方案。未来5-10年，以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。

硅光子蓄势待发消费者医疗可穿戴市场

光可以照射到组织和血管上以监测、检测和量化生物标记，因此光子学可以赋能无创医疗监测解决方案，用于低成本、小尺寸的医疗设备和面 向消费电子市场的可穿戴设备。

国产替代进程加快

近几年来包括思科、华为、Ciena、Juniper 等巨头纷纷通过收购布局硅光技术，大部分巨头并没有光通信的业务，收购硅光子公司更多是出于技术布局的目的，例如Intel提出的“集成光路”的愿景，立志将硅光技术应用于千亿级的IC市场。

去年12月13日，针对1.6T光接口的MSA行业联盟宣布成立，宣告1.6Tb/s光模块将成为下一步全球竞相追逐的热点。Light Counting数据预测未来硅光技术的产品份额到2025年将从2018-2019年的14%增长到45%，未来5年，该市场将实现两位数增长。

招商证券表示，在高速相干光模块及400G数通光模块领域，若硅光企业的生产工艺水平进一步提高，将具有更强的成本优势，可能会从传统光模块企业中抢夺市场份额。建议关注具有成熟硅光产品布局的光模块厂商：中际旭创、新易盛、光迅科技等。

长江证券表示，目前顶尖的硅光工艺平台已形成商用条件。作为硅光芯片流片的必要环节，硅光工艺平台的成熟有望加速硅光技术的国产替代进程。目前有参与硅光芯片自研的厂商主要包括亨通光电、中际旭创及光迅科技，光模块及器件厂商包括新易盛和剑桥科技也有布局和硅光模块封装。光迅技术和烽火通信背靠国家信息光电子创新中心的硅光工艺平台，中际旭创则联合国际一流硅光子厂商实现技术突破。

文章来源：未来智库，新思界网，半导体行业观察，数据宝