硅光技术即将爆发

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。

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硅光技术即将爆发

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图片来源@视觉中国

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文 | 半导体产业纵横

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。

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。

硅光代工,台积电棋差一着?

关于硅光芯片制造技术,北京邮电大学教授李培刚表示:“硅光芯片制造技术与现有的半导体晶圆制造技术是相辅相成的。”

按照代工的传统经验,由于激光器在各核心器件中失效率较高,导致“光电合封”芯片的良率普遍不高。硅光器件的良品率则有较大提升。

前不久,格芯推出新一代硅光子平台Fotonix。作为一个单片平台,Fotonix实现了多项复杂工艺整合至单个芯片的功能,把光子系统、射频(RF)组件和高性能互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑集成到单个硅片上。格芯将300毫米光子学特性和300Ghz(吉赫)级别的RF-CMOS工艺集成到硅片上的平台,可以提供一流的、大规模的性能。

格芯宣布与光量子计算、人工智能、半导体等多领域内的公司合作,以此解决数据激增问题,为数据中心提供创新解决方案。在Fotonix平台上与格芯合作的公司包括博通、Marvell、思科、英伟达、Macom、AyarLabs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus、Xanadu、Ansys、楷登电子和Synopsys。

这些合作伙伴包括4家顶级光子收发器供应商中的3家、5家顶级网络公司中的4家、4家领先的EDA和仿真公司中的3家。

英特尔是唯一一家没有参与的涉及光子学的主要公司。因为英特尔正在使用自己的内部平台。这与前不久英特尔收购的高塔半导体不无关系。

对高塔半导体的收购填补了英特尔在领先 FinFET 之外的工艺节点的代工产品中急需的空白。并且,在今年1月份 ,高塔半导体联合网络通讯设备公司瞻博网络(Juniper Networks)推出硅光子代工工艺,该工艺集成了III-V族激光器、放大器调制器和探测器。硅光子技术主要是利用现有CMOS 集成电路类似的技术来设计和制造光器件和光电集成电路。

该平台可将III-V族激光器、半导体光放大器(SOA)、电吸收调制器(EAM)和光电探测器与硅光子器件共同集成在一颗单芯片上,构成尺寸更小、具有更多通道数且更节能的光学架构和解决方案。

瞻博网络首席执行官Rami Rahim表示:“我们与高塔半导体的共同开发工作非常成功,在大批量生产设施中验证了这种创新硅光电子技术。通过向整个行业提供这种能力,瞻博提供了从根本上降低光学成本的潜力,同时降低了客户的进入壁垒。”

尽管台积电推出了用于硅光子芯片的先进封装技术——COUPE(compactuniversal photonic engine,紧凑型通用光子引擎)异构集成技术,但相比起将自己定位为全球领先的硅光子代工厂的格芯和拥有自己硅光代工平台的英特尔,台积电的布局仍稍显落后。

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。

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