曾在与电子芯片竞争中落后的光子芯片，正在崛起。

近段时间以来，英特尔和英伟达投资Ayar Labs，华为入股微源光子及长光华芯，格芯推出新硅光子技术，新思科技成立OpenLight公司等等，头部大厂一系列举动都正在将行业目光聚焦到“光芯片”赛道。

随着5G、AIoT、云计算等各项应用的逐步落地，对数据传输提出了更高的要求。与此同时，数据中心光电转换必需的器件——光模块迎来了爆发式增长。有数据统计，在多平面网络架构下的，新一代数据中心对光模块的需求量增加了65倍。

LightCounting的预测显示，全球光模块的市场规模将在未来5年以CAGR 14%保持增长，预计2026年达到176亿美元。

全球光模块细分市场规模及预测

其中，光芯片的性能直接决定光模块的传输速率，是产业链核心之一。以光通信产业链为例，光芯片位于整个产业链的顶端，占据光模块成本的50%以上，是整个光通讯产业链条中技术最复杂、价值最高的环节。

格芯认为，利用光子而不是电子，更有潜力以较低的功率和成本推动芯片的数据传输性能。

为了实现这一目标，格芯正依靠其第二代硅光子学平台GF Fotonix。它与博通、Cisco、Marvell和英伟达等服务器网络芯片领域的领导者以及Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum和Ranovus等初创公司在设计上取得了成功，这些公司都在研究如何生产硅光芯片。

格芯在退出与英特尔、三星和台积电的最先进处理器制造竞争后，在芯片领域稍显落后，但是现在正在加倍投入硅光子学。

格芯切换了发展方向，将新的重点放在功能丰富的芯片上，从智能手机到基于成熟技术节点的汽车，应有尽有。尽管在成熟制程上格芯的生意兴隆，但它相信硅光子学是其重返前沿的门票。

随着技术不断更新，电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，急需破局之下，硅光芯片会脱颖而出吗？

硅光，好久不见

几十年来，科技巨头一直在利用光子的力量通过光纤甚至海底电缆在地理上相距遥远的数据中心之间发送数据。但他们也越来越多地使用光在巨大的数据中心内移动数据，在数以万计的服务器机架之间传输数据。为此，他们正在利用可以直接插入开关的光网络模块将光转换为电能，反之亦然。

服务器和它们内部的各种芯片之间的较短距离仍然跨越通过铜线移动数据的电气互连。“数据中心是目前硅光子学的立足点，”Yu 说。

今天，以光速移动数据意味着使用特殊材料。其中包括磷化铟 (InP)，它是激光器和其他可以推动光子通过光纤的技术的黄金标准，以及硅锗 (SiGe)，它广泛用于控制光的高速混合信号电子设备。

但是，Yu 表示，将所有这些材料生产为可以大规模生产的廉价硅片中是一项巨大的挑战，与在 CPU 上塞入更多晶体管相比，这带来了一系列独特的问题。

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。硅光芯片用光子代替电子进行信息传输，可承载更多信息和传输更远距离，具备高计算密度与低能耗的优势。随着云计算与人工智能大爆发，硅光芯片迎来技术快速迭代与产业链高速发展。

各国都已在该领域布局很久。2014年10月，奥巴马就宣布建立“国家光子集成制造创新研究所”，IBM、Intel等企业和MIT、UCSB等机构都不遗余力发展大规模光子集成芯片，集成850个器件的大规模光子芯片也在2015年出现。几乎同时，中国科学院也启动了由西安光学精密机械所牵头，半导体所、上海微系统与信息技术所、计算技术所共同承担的先导专项“大规模光子集成芯片”，希望构建起大规模光子集成的材料、器件、集成、封装工艺平台。

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。

数以千计的不同组件必须集成在硅光子 IC 中，包括将数据转换为光子的调制器、在 集成电路周围发光的波导以及将光子转换为待处理电子的探测器。由于激光和光纤必须分开连接，因此封装对于将数据移入和移出封装也很重要。

格芯于 2016 年推出了其第一代硅光子平台，在收购IBM半导体制造部门时收购了大量硅光子学技术。

Yu说，格芯有远见于同年创建一个单独的硅光子业务，认为未来将利用光的力量在世界各地涌现的数据中心内部和之间移动大量数据。虽然当时带宽的行业标准是40 GB/s，但今天的技术巨头正在加快400 GB/s和800 GB/s的数据速率。

“每个人都可以看到带宽即将爆炸式增长，尤其是随着数据中心变得更加超大规模，”Yu 说。“我们认为目前供应磷化铟的技术无法扩大规模。”

数据移动也很耗电。随着数据中心转向更高的带宽，它们正在消耗更多的电力来通过铜缆传输数据，因此，现代数据中心运行异常热。Yu 表示，硅光子学有望解决这个问题，因为它每比特只消耗三分之一的功率。

“我们能够利用硅的不同特性和独特的材料，使其表现得像磷化铟，这样我们就可以将规模应用于提供足够带宽的问题。”

格芯表示，GF Fotonix 节省了成本、空间和功耗，这将有助于巩固其作为可插拔光学市场制造领导者的地位，预计 2026 年该市场将飙升至 40 亿美元。

点亮硅光技术

格芯表示，GF Fotonix 将帮助其客户以全新的方式解决数据中心面临的一些挑战。

Yu 表示：“领先优势不仅由个位数的流程节点定义。我敢说，硅光子学可能是领先的，甚至可能比一位数的工艺节点更领先。控制光、管理芯片上的光预算，甚至在光子频率下运行的能力需要解决与单节点公司所面临的挑战完全不同的挑战。”

我们使用的材料和加工技术是其他工艺无法使用的，他说，并补充道，首席执行官汤姆·考菲尔德愿意在与硅光子学相关的研发上投入“非常大”的资金。

格芯并不是唯一发起重大硅光攻势的公司。多年来，英特尔一直在投资以推进硅光子技术的发展，以解决系统带宽、功率和散热方面的瓶颈。

格芯表示GF Fotonix 作为一个单片平台脱颖而出，首次将所有技术组成部分结合在一起，包括硅晶片上的 300mm 光子学特性和 300-GHz RF-CMOS。

Yu告诉本刊：“我们的主要特点是其他人都无法触及，我们是一个完全单片的过程，这意味着我们基本上可以组装成一个光子学片上系统（SoC）。”

所有主要组件，包括无源和有源光子学、射频（RF）和CMOS，以前都是在单独的芯片上制造的，然后必须捆绑在一起封装在一起。

转向单片架构有很多优点。该公司表示，GF Fotonix 可以通过单根光纤提供高达每秒半太比特 (Tb/s) 的数据速率，这是所有代工厂产品中最快的数据速率。这将允许以1.6到3.2 Tb/s的速度运行的光学芯片，提供更快的数据传输，以及更好的功率效率和信号完整性。该平台还支持2.5D封装技术，将芯片粘合在一起。

Yu 表示，GF Fotonix 基于 45 纳米 CMOS 技术，比 2016 年发布的第一代节点中的 90 纳米技术有所提升。客户可以访问其工艺设计套件 (PDK)，开始使用GF Fotonix设计芯片。

格芯还指出，GF Fotonix的高度集成为客户在同一硅光子学IC中封装更多功能和降低成本打开了大门。

硅光技术的两面性

据格芯称，它与很多计划使用GF Fotonix的“客户合作伙伴”合作，以确保该平台满足他们的需求，同时应对封装、组装和测试方面的挑战。

Yu说，格芯与他们密切合作，通过“大批量制造的棱镜”来构建平台，以确保它能够扩展到大规模生产。“我们有非常多的合作伙伴使我们能够推动这一进程，因此我们预测着基于硅光子的 IC 将激增。”

格芯表示，它已与思科合作开发用于数据中心网络设备和互连的定制硅光子解决方案。思科光学系统和光学高级副总裁 Bill Gartner 在一份声明中表示：“我们在硅光子学方面的大量投资和领先地位，加上格芯功能丰富的制造技术，使我们能够提供一流的产品。”

格芯还试图帮助公司在共同封装光学器件的道路上又迈出一步，使他们能够将光学器件从可插拔模块转移到与开关 ASIC 相同的封装中。

减少光学元件和开关之间的距离具有几个关键优势，包括降低功耗、减少热量，从而为更高的端口密度和带宽打开了大门。

其他高管警告称，在可预见的未来，随着半导体行业进入112 Gb/s SerdE的时代，并开始展望224 Gb/s SerdE，共封装光学不太可能具有竞争力。

无法保证世界能够继续推动电子输入/输出领域的发展。因此，格芯的客户计划在今年年底推出带有封装内光学器件的交换机和处理器原型。

GF Fotonix 也支持广泛的芯片封装技术。格芯表示，它可以在硅芯片中凿出“空腔”，为客户提供一个开放槽，将激光器直接键合到芯片上，从而节省成本、功率和空间。该公司还能够在模具上刻出“凹槽”，以支持在共封装光纤增加带宽密度的情况下，多达16根光纤的无源连接。

光速下的人工智能

随着摩尔定律的衰落对科技行业造成影响，其他公司正试图将硅光子技术推向数据中心的更深处。

今天，数据通过数据中心的光纤快速传输，然后在铜互连中缓慢爬行。这些瓶颈出现在电路板上的铜引脚和电线上。因此，大型半导体公司和初创公司正将目光投向使用硅光子学在较短距离内传输数据，例如在CPU、GPU和服务器中的其他计算机芯片之间，甚至在电路板（PCB）上。

英伟达表示，它正在设计基于GF Fotonix的高带宽、低延迟、低功耗的光互连，用于其一些“前沿”数据中心系统，以处理日益繁重的人工智能工作负载。

GF Fotonix 的一个优势在于，单片架构降低了数据传输中的错误率，将延迟降低了 10 倍，这反过来又转化为人工智能工作负载的更高吞吐量。

为了让事情变得更简单，英伟达与Ayar Labs合作，Ayar Labs是一家设计光互连的初创公司，可以捆绑到各种处理器和加速器中。互连以芯片的形式出现，可以封装到从CPU到GPU的所有设备中，使用十分之一的功率提供比电气I/O高1000倍的带宽。

首席执行官 Charles Wuischpard 表示，它与格芯密切合作，将其独特的需求整合到GF Fotonix中。Ayar Labs 也是第一家在该平台上构建原型的公司。

GF Fotonix为该公司奠定了基础，该公司还与 HPE 合作设计了用于高性能计算的下一代 Slingshot互连，今年将供应数千个芯片。

光芯片赛道“高手云集”

光芯片的广阔市场前景自然吸引了众多厂商“抢食”。

从市场格局来看，美国是硅光子领域起步最早也是发展最好的国家，1991年美国便成立了“美国光电子产业振兴会”，以引导资本和各方力量进入光电子领域。2014年，美国又建立了“国家光子计划”产业联盟，明确将支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发。

欧洲和日本也在跟进，中国大概在2010年以后开始入局光芯片赛道。另外，新加坡的IME也是较早建立硅光子工艺的平台之一，为行业的发展作出了不小的贡献。

从当前产业链进展看，全球光芯片产业链已经逐渐成熟，从基础研发到制造工艺再到商业应用的各个环节均有代表性企业。其中以英特尔、思科、英伟达、格芯等为代表的企业占据了硅光芯片和模块出货量的大部分，成为业内领头羊。

硅光技术终将会到来

Yu说，与现有客户的合作帮助它创建了一个硅光子平台供其他人使用，即使在电信、航空航天、国防和汽车等领域也是如此。

Lightmatter 是一家使用硅光子学加速数据中心 AI 工作负载并提高能源效率的初创公司，该公司还计划将GF Fotonix平台用于其将于 2022 年推出的第一款加速器芯片。Lightmatter 首席执行官 Nicholas Harris 表示，“我们在一起改变世界对光子学的看法。”

在格芯的帮助下，PsiQuantum 正在构建一个名为 Q1 的量子计算机。光子用于解决问题的速度要快数百万倍，甚至可以进行今天不可能的计算。但第一季度和其他系统改变世界的前景仍需数年时间。

为了帮助当前和未来的客户，格芯正在围绕GF Fotonix平台构建一个更具活力的软件工具、支持和服务生态系统。Ansys、Cadence Design Systems和Synopsys正在提供一套电子设计工具，支持基于光子学的芯片和芯片。

“我不想说它是一刀切的，”Yu说。“事情没那么简单。但是通过一个具有差异化功能和使用独特材料的代工平台，您可以将光子学打开到各种市场。”

格芯计划完成GF Fotonix的资格认证以支持到 2024 年的产量增加。

来源：半导体产业纵横，半导体行业观察，阿里云研究院