融合 CMOS 與光子技術的矽光子

矽光子技術是基於矽和矽基襯底材料, 利用現有 CMOS 工藝進行光器件開發和集成的新一代技術. 矽光子技術利用矽和矽基襯底材料 (如 SiGe/Si, SOI 等) 作為光學介質, 通過集成電路工藝來制造相應的光子器件和光電器件, 這些器件用於對光子的激發, 處理和操縱, 實現其在光通信, 光互連, 光計算等多個領域的應用. 

 矽光子技術實現更快的傳輸速率, 更遠的傳輸距離以及更低的功耗和延遲. 矽光晶片使用光子代替電子進行信息傳輸, 因而克服了傳統電子晶片面臨的兩大限制: 在數據運輸上, 光子傳輸避開了電子的物理極限問題和發熱問題; 在算力上, 光子適用於矩陣計算, 矩陣乘法突破了傳統先行運算的算力局限.

矽光技術的發展分為三個階段: ① 用矽把光通信底層器件做出來, 達到工藝的標準化. ② 集成技術從耦合集成向單片集成演進, 實現部分集成, 再把這些器件通過不同器件的組合,集成不同的晶片. ③光電一體技術融合, 實現光電全集成化. 我們認為目前矽光技術已經發展到了第二個階段.

傳統光模組由多種光學及電學器件封裝而成, 面臨電氣互連的傳輸瓶頸; 矽光模組採用矽光子技術, 能利用 CMOS 工藝開發高性能廣電晶片, 因此具有高帶寬, 高集成度, 低時延, 低功耗的優點. 矽光模組採用了板上晶片封裝 COB 技術, 將裸晶片直接印制在電路板上, 再進行電氣連接和包封, 具有尺寸小, 成本低, 自動化程度高的優點, 但也面對光發射, 接收組件耦合上的技術挑戰.

光模組廠商位於矽光產業鏈的中間環節. 矽光產業鏈上游主要有 PIC (光子積體電路) 設計, SOI 襯底, 代工廠幾大環節; 中游主要為光模組廠商, 下游主要分為通信設備, 電信市場, 數據中心通信多個重點應用領域.  台灣相關廠商有 SOI 基底的英特磊 (IET-KY), Epi Wafer 供應商 聯亞 (LandMark),  全新 (VPEC)  等.

2022 年 Intel 以 61% 的市場份額領跑數據通信市場, 思科, 博通和其他小公司緊隨其後. 在電信領域, 思科 (Acacia) 占據了近 50% 的市場份額, Lumentum (Neophotonics) 和 Marvell (Inphi) 緊隨其後, 相干可插拔 ZR/ZR+ 模組推動了電信矽光市場的發展.

Yole: 矽光最主要, 最直接的應用場景是數據中心, Intel 在該領域占據主導地位. 2022 年矽光晶片市場價值為 6800 萬美元, 預計到 2028 年將超過 6 億美元, 2022~2028 年的 CAGR 為 44%. 推動這一增長的主要因素是用於高速數據中心互聯和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學習的 800G 可插拔光模組.

矽光並不局限於單一的襯底或材料; 用於光子集成的各種材料平台, 如薄膜 LiNbO3 (TFLN), SiN, BTO, GaAs 等, 都已顯示出其潛力. 矽光子集成與矽集成電路相比, 在規模上有很大差距, 矽集成電路已縮小到幾 nm, 矽光晶片並不需要 3nm 光刻技術, 45nm 技術完全足以生產高性能, 高質量的矽光晶片.

數據中心可能是矽光子大規模應用的首選場景. 矽光子技術在光通信, 光傳感, 光計算等領域有著較強的應用潛力, 特別是作為光通信技術, 有望充分受益於 AIGC 的發展, 矽光子技術在數據中心中晶片側的 OIO, 設備側 CPO, 設備間光模組以及數據中心間的相干光通信都有望迎來進一步發展, 市場前景廣闊.

CPO 有望替代傳統可插拔光模組. CPO 方案眾多, 其中核心 PIC 多基於矽光方案. 交換機與光模組公司在積極推進 CPO 技術. CPO 商用在即, 市場前景廣闊. 根據 Lightcounting 預計, CPO 出貨預計將從 800G 和 1.6T 端口開始, 於 2024 至 2025 年開始商用, 2026 至 2027 年開始規模上量, 主要應用於超大型雲服務商的數通短距場景.

目前 CPO 仍處於產業化初期, 技術工藝上, CPO 在封裝工藝, 仿真技術, 可靠性, 標準化等方面仍然面臨諸多挑戰; CPO 作為新型光電互連技術, 在 AI 光通信迅速發展的背景下, CPO 或是實現高速率, 大帶寬, 低功耗的必經之路, 有望成為光通信行業必備技術, 特別是對目前基於可插拔光模組中矽光子技術作為 CPO 的核心技術之一, 有望充分受益於 CPO 的發展需求.

光互連有望解決片間互聯的瓶頸問題. OIO (In-Package Optical I/O) 是一種基於晶片的光互聯解決方案, 與計算晶片 (CPU, GPU, XPU) 集成在同一封裝中, 旨在實現分布式計算系統中它們之間的無縫通信, 在相同能效情況下, OIO 的邊帶寬密度與 UCle, NVlink, PCIe 等電互連相當, 但傳輸距離遠超電互連.

OIO 作為一種片間互聯解決方案, 在產品形態上, 也是將光晶片與電晶片封裝在同一基板上, 因此與 CPO 具有一些異同點: 從封裝形式上看, OIO 的 In-package Optics (IPO) 與 CPO 結構相似, 不過 CPO 針對的是交換晶片, OIO 針對的是計算晶片; 從性能效率上看, OIO 帶寬密度, 功耗, 延遲等指標較 CPO 進一步提升.

不同於 CPO 主要針對網絡架構, 針對計算架構的 OIO 中矽光+Chiplet 或成為主流解決方案, 因此主要參與者多為頭部晶片廠商及矽光初創公司/設計公司企業. 總的來看, 隨著 AI 技術對算力的持續需求, 晶片間數據傳輸不斷增大, OIO 的技術優勢有望不斷凸顯, 作為 OIO 理想平台的矽光子技術也有望得到進一步發展.