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。

硅光技术正在爆发前夜。

突破摩尔定律限制

根据达摩院的趋势解读，硅光芯片的崛起、技术突破和快速迭代、以及高速增长的商业化需求，归因于云计算与人工智能的大爆发。大型分布式计算、大数据分析、云原生应用让数据中心内的数据通信密度大幅提升，数据移动成为性能瓶颈。传统光模块成本过高，难以大规模应用，硅光芯片则能够在低成本的前提下有效提高数据中心内集群之间、服务器之间、乃至于芯片之间的通信效率。

以超大型数据中心为例，根据Equnix的数据，2017年-2021年全球互联网带宽容量的年复合增长率达到了48%，2020年开始正式进入400G时代，并有望于2022年进入800G时代。届时，将有数百万个400GbE+的硅光子收发器与数十万台服务器互连，并将通过新型低延迟的DCI架构扩展AI的边缘，提升高性能计算的算力。

据Yole Development估计，硅光光模块市场将从2018年的约4.55亿美元增长到2024年的约40亿美元，复合年增长率达44.5%。而LightCouting的数据则显示，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%。

另一方面，据Open AI统计，自2012年，每3-4个月人工智能的算力需求就翻倍，当前电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，难以满足高性能计算不断增长的数据吞吐需求，而硅光芯片具备的更高计算密度与更低能耗特性，正是极致算力场景下所需要的解决方案。

曦智科技创始人兼CEO沈亦晨博士此前在接受本刊采访时，将算力、数据传输和存储视作当前电子芯片在发展过程中遇到的三个主要瓶颈。以最具代表性的图像/语音识别类AI应用为例，数据显示，与2012年相比，当前最大的神经网络模型大约是当时的15-30万倍，且仍在持续增长。但与之形成鲜明对比的，是底层算力的增长远未达到这一幅度，制约了人工智能的进一步发展。

算力为什么难以跟上AI模型的演进速度？半导体制程微缩逐渐接近物理极限导致的摩尔定律放缓和晶体管功耗散热问题是两大主因。

“2015年以后，随着晶体管体积越来越小，隧穿现象日趋明显。这意味着，即使把单个晶体管做得再小，其在运算时的功耗也没办法进一步降低。但如果为了增强算力增加芯片面积，或是采用芯片级联的方式，功耗又会显著增长。”沈亦晨说，这就是为什么兼具高通量、高能效比、超低延迟特性的硅光技术能成为新兴技术方向之一的原因。

硅光子已成为未来趋势

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。

硅光技术的发展可以分为三个阶段。第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；第二，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像乐高积木一样，通过不同器件的组合，集成不同的芯片；第三，光电一体技术融合，实现光电全集成化。把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。

目前硅光技术已经发展到了第二个阶段。

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。

阿里巴巴达摩院发布的2022十大科技趋势中，硅光芯片是其预测的趋势之一。随着云计算与人工智能的大爆发，硅光芯片迎来技术快速迭代与产业链高速发展。达摩院预计未来三年，硅光芯片将承载绝大部分大型数据中心内的高速信息传输。

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。

半导体巨头积极布局

研发硅光子技术的初创公司Ayar Labs于26日宣布，已从包含英伟达、英特尔在内的投资者筹得1.3亿美元资金。英伟达首席科学家兼研究高级副总裁BillDally表示：“光学连接对于扩展加速计算集群以满足AI和HPC工作负载快速增长的需求非常重要。AyarLabs拥有独特的光学I/O技术，可以满足扩展下一代基于硅光子的AI架构的需求。”Ayar Labs首席执行官表示，“这笔融资使我们能够从今年开始完全根据行业标准对质量和可靠性以及规模化生产的解决方案进行验证。 ”

Ayar Labs首席执行官Charles Wuischpard表示：“总体融资规模远大于我们最初的目标，这凸显了光学I/O的市场机会以及Ayar Labs在基于硅光子的互连解决方案方面的领导地位。”

Ayar Labs还表示：“AI对数据中心的作用越来越重要。移动数据的挑战和移动数据的能源消耗是个很大很大的问题。”Ayar Labs透露，公司已经批量出货了第一批产品，预计到今年年底将出货数千个光学互连芯片。

除了连结晶体管芯片外，运用电光子来打造量子电脑、超级电脑与自驾车芯片的初创公司也筹得大笔资金。例如量子运算公司PsiQuantum迄今筹得6.65亿美元，尽管距离量子电脑改变这个世界的展望仍有数年之遥；此外，光子芯片研究公司Lightmatter也筹得1.13亿美元，今年稍后将推出芯片并与客户进行测试；打造AI超级电脑的LuminousComputing公司则筹得1.15亿美元，该公司也打造使用硅光子技术的AI超级电脑，并且获得微软创办人比尔盖茨资助。

事实上，不只初创公司研发硅光子技术，很多半导体巨头及一些国家也纷纷开始布局光子领域。

除了上文提到的对Ayar Labs的投资，2021年12月，英特尔实验室(Intel Labs)宣布建立了一个新的研究中心，旨在通过用电代替光来驱动更快、更高效的计算接口。这一消息很快吸引了众多关注。据悉，英特尔数据中心互连集成光子学研究中心（Intel Research Center for Integrated Photonics for Data CenterInterconnects）的目标，是通过将同样的逻辑应用于计算接口，解决上述的瓶颈，尤其是针对计算平台来实现突破。

更具体地说，该研究中心由来自全球领先学术机构的研究人员组成，正在开发包括硅光电子、CMOS电路和链路结构、封装集成和光纤耦合在内的光输入/输出(I/O)技术。英特尔认为，光学I/O有望在覆盖范围、带宽密度、功耗和延迟等关键性能指标上显著超过电气，这种潜力不容忽视。

英特尔实验室PHY研究实验室主任James Jaussi指出，尽管有这种潜力，光接口依然难以在短时间内淘汰掉以往的铜缆互连，相关的技术进展也需要循序渐进。当大众从电子和光学技术之间过渡时，它需要一项可以持续连接和惠及几代人的技术，这也将是这个研究中心的重点。

中国硅光子芯片的研究

工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。

国家层面，支持硅光技术的利好政策纷至沓来，各地政府也纷纷入局。上海市明确提出发展光子芯片与器件，重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。湖北省、重庆市、苏州市等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。

此后，武汉建立国家信息光电子创新中心、上海将硅光列入首批市级重大专项、重庆打造国家级国际化新型研发机构联合微电子中心有限责任公司。

在政策的扶持下，国内也研制出硅光芯片。2021年12月，国家信息光电子创新中心、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。

研究人员分别在单颗硅基光发射芯片和硅基光接收芯片上集成了8个通道高速电光调制器和高速光电探测器，每个通道可实现200Gb/s PAM4高速信号的光电和电光转换，最终经过芯片封装和系统传输测试，完成了单片容量高达8×200Gb/s光互连技术验证。

我国十分重视硅光芯片产业的发展，但目前国内的高端硅光芯片以设计为主，流片主要还是在国外。芯片制备的周期长、成本高，种种因素制约了我国硅光子技术的发展。

哪类企业会提前布局硅光？

目前，硅光子商业化较为成熟的领域主要在于数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等光连接领域，800G及以后硅光模块性价比较为突出，产业链进展看，海外巨头Intel、思科等通过自研或收购发展较为领先；国内上市公司光迅科技、新易盛、天孚通信、中际旭创、博创科技等从分立光模块市场纷纷切入硅光领域。

一是设计企业

目前来看，硅光领域的主要玩家仍是半导体设计企业。

英特尔研究硅光技术20多年，2016年将硅光子产品100GPSM4投入商用100GPSM4和100GCWDM4硅光模块已累计出货超400万只，200GFR4及400GDR4正在研发。

思科于2012年、2019年收购Lightwire、Luxtera(硅光市占率35%)及Acacia公司，布局硅光领域。

Luxtera曾研发世界第一款CMOS光子器件，为最早推出商用级硅光集成产品的厂商之一，2015年发布100GPSM4硅光子芯片;Acacia400G硅光模块方案主要是将分离光器件集成为硅光芯片的基础上再与自研DSP电芯片互联，最终外接激光器进行封装，已于2020年开始送样给客户。

阿里云与Elenion合作推出自研硅光模块2019年9月宣布推出基于硅光技术的400GDR4光模块。华为收购英国光子集成公司CIP和比利时硅光子公司Caliopa小型高容量硅光芯片。

二是封装企业

随着芯片制程的逐步缩小，摩尔定律正在遇到天花板，其中芯片互连是目前的技术瓶颈之一。

硅光子封装内集成可以改善延迟、提高带宽，同时可以显著降低对功率的需求，使TBps数量级的数据传输成为可能。

目前硅光子封装类技术已经出现厂商开始尝试使用，如英特尔在高速光纤收发模组上采用硅光子封装集成。在国内封测巨头长电科技的布局中，其副总裁陈灵芝曾预测未来封装技术可能方向是硅光子封装方向。目前，长电科技已经关注硅光封装技术。

随着摩尔定律脚步的放缓，探索新的技术已经成为目前半导体领域的关键任务。将光子和集成电路的电子结合在一起，甚至是用光子替代电子形成“片上光互联”，以实现对现有光模块产业链的重塑，正成为半导体行业数个“颠覆式创新”中的重要方向之一。

当众多厂商开始押注硅光子技术时，硅光子技术的爆发也许就在明天。

文章来源：半导体产业纵横，国际电子商情