巨頭押注的硅光芯片，這次真要來了？

時隔一年，又有新動向。

被稱作未來芯片的硅光芯片，最近又有了新進展。

有報道稱，臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶共同開發硅光子技術、共同封裝光學元件（co-packaged optics，CPO）等新產品，制程技術從45nm延伸到7nm，最快明年下半年開始迎來大單，并在2025年左右達到放量階段。

對于這則傳聞，臺積電表示，不回應客戶及產品狀況。不過臺積電高度看好硅光子技術在未來的場景。

而在近期的一場半導體座談會上，臺積電副總余振華也公開透露了自己對硅光子技術的看法：“如果能提供一個良好的硅光子整合系統，就能解決能源效率和 AI 運算能力兩大關鍵問題。這會是一個新的范式轉移。我們可能處于一個新時代的開端。”

臺積電硅光技術，到了哪一步？

所謂“硅光芯片”，是在硅的平臺上，將傳統芯片中的電晶體替換成光電元件，進行電與光訊號的傳導。

對比傳統芯片會出現電訊號的丟失與耗損的情況，光訊號不僅損耗少，還實現更高頻寬和更快速度的數據處理。

因此，有人把硅光技術稱作摩爾定律的“新解藥”。

單從曝光度來看，硅光芯片一直處在不溫不火的狀態，這讓很多人誤以為這是近些年才出現的新鮮事物。

但實際上，國外從上世紀80年代就開始硅光技術和相關光通信技術的研究，也有部分廠商成功研發出一些產品。

到了近些年，硅光產業上下游市場的生態基本搭建完成，上游有新思、Cadence等EDA公司，中下游有臺積電、英特爾、英偉達、高塔半導體等知名半導體廠商。不過在商業化進程上，硅光芯片還沒有一款算得上“出圈”的商業化產品。

因此余振華才提到了硅光子整合系統的想法。

對于臺積電來說，此前在該領域主推的產品名為COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術，其最大的特點是可以降低功耗、提升帶寬。

去年曾有一則報道稱，臺積電計劃在一項與英偉達深度合作的研發項目中嘗試使用，將多個AI GPU組合成一塊GPU。

該研發項目將持續數年時間，且必須等到硅光子生態系統成熟才算完成。

結合此次爆出的新聞，以及今年以來英偉達在高算力AI芯片上的布局來看，去年這個內部項目大概有了新的進展。

不僅是英偉達，隨著越來越多企業投入到硅光產品的研發，CPO封裝技術也會不斷突破。

硅光技術還有多久？

首先，硅光產品并沒有到大規模需求階段。雖然有自動駕駛和數據中心兩大領域的需求，但目前還沒有主流芯片廠商推出高性能芯片。

其次，硅光產品需要考慮相對高昂的成本問題。受限于大量光學器件，一個硅光器件需要采用各種材料，在缺乏大規模需求的情況下，硅光產品成為一種“高價、低性價比”的產品。同時，器件的性能與良品率難以得到保障。

最后，硅光芯片在打通各個環節還需要。例如設計環節，雖然已經有EDA工具支持，但算不上專用；而在制造與封裝環節，類似臺積電、三星等大型晶圓代工廠都沒有提供硅光工藝晶圓代工服務。即便是已經推出COUPE技術的臺積電，短時間內會專注于封裝方案，很難勻出產能提供給硅光芯片。

事實上，不同廠商對于硅光產品的理解也各不相同。

以英偉達為例，在去年OFC 2022光纖通信會議上，英偉達首席科學家Bill Dally展示了一套硅光技術連接GPU系統的模型。

在這套模型中，英偉達選擇用DWDM單模光纖替代有限電纜，構建了連接GPU的交換機。在新模型下，雖然外部激光源占用了大量空間，但由于光的特性，因此設備之間的連接線纜可以更長，最終讓整套模型的體積大大降低。

從產品思路來看，英偉達將激光信號設在了產品外部，而不是像其他廠商一樣將激光器嵌入芯片內部。

這一設計想法與硅光子初創公司Ayar Labs十分相似——他們在早期設計產品時決定將光源本身與光子芯片分開。

此前，在接受外媒采訪時，Ayar Labs總裁兼首席技術官Mark Wade曾指出：“激光器的物理學與CMOS微電子的物理學是相互脫節的；它們不喜歡在高溫下工作，會迅速失去能效，其可靠性也會成指數級下降。

圖 | Ayar Labs的光學I/O芯片最終封裝模塊

值得一提的是，該公司在去年就正式宣布與英偉達合作開發具有光學I/O的下一代AI運算基礎架構，并且英偉達還參與到Ayar Labs的融資中。

從兩家公司的描述來看，臺積電的封裝技術有極大可能用在這項新的AI架構上。

當然，英偉達的產品思路并不代表硅光芯片的最終形態，其他老牌廠商同樣有各自的產品思路。

例如格芯，在全年宣布與博通、思科、Marvell等廠商合作推出新一代硅光平臺GF Fotonix，在12英寸的晶圓上，實現光子元件、射頻和高性能CMOS的單芯片集成，單根光纖提供高達每秒半太比特 (Tb/s) 的數據速率，這是所有代工廠產品中最快的數據速率。

而作為硅光賽道真正的老大哥——英特爾的產品不僅種類最多，同時也是少數擁有IDM能力的半導體企業。

在近幾年的展會上，英特爾陸續展示了800Gbps的硅光發送器、CPO技術以及與英偉達不同設計的光學I/O。

另外一家在硅光產業比較出名的是思科，他們在今年OFC 2023的一場閉門會議上展示了其最新版本的CPO解決方案，與傳統的可插拔模塊相比大幅降低了功耗（高達30%），也算得上目前頂尖的CPO解決方案。

圖 | 硅光產業鏈

在國內，同樣有多家企業瞄準硅光賽道。

可以說，硅光賽道正進入一個“百花齊放”的階段。

寫在最后

經過多年的發展，硅光子技術已經逐步打通了生態鏈，下一步就是向商業化邁進。

在先進制程不斷接近摩爾定律限制的背景下，硅光芯片能再次吸引來市場的目光，靠著還是本身出色的特性。

而隨著臺積電相關封裝技術的不斷完善，硅光芯片未來大規模產業化也變成了可能。

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