日前，國家信息光電子創(chuàng)新中心（NOEIC）宣布取得重大進展：該機構和鵬城實驗室的光電融合聯(lián)合團隊完成了2Tb/s硅光互連芯粒（chiplet）的研制和功能驗證，在國內(nèi)首次驗證了3D硅基光電芯粒架構，實現(xiàn)了單片最高達8×256Gb/s的單向互連帶寬。
據(jù)介紹，該團隊在2021年1.6Tb/s硅光互連芯片的基礎上，進一步突破了光電協(xié)同設計仿真方法，研制出硅光配套的單路超200Gdriver和TIA芯片。同時還攻克了硅基光電三維堆疊封裝工藝技術，形成了一整套基于硅光芯片的3D芯粒集成方案。
硅光芯片被寄予厚望
根據(jù)國家信息光電子創(chuàng)新中心的介紹，2Tb/s3D集成硅光芯粒成果將廣泛應用于下一代算力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各類光模塊產(chǎn)品中，為國內(nèi)信息光電子技術的率先突圍探索出可行路徑。
從產(chǎn)品類型來說，硅光器件可以分為三個層次：硅光基礎器件、硅光芯片和硅光模塊。其中，硅光基礎器件便是用于傳導和控制光的各種器件，包括光源、調(diào)制器、探測器、波導等；硅光芯片是利用硅的半導體特性，在芯片上形成波導結構，導引光子在芯片內(nèi)部傳播，實現(xiàn)方式是在硅基上直接蝕刻或集成調(diào)制器、接收器等器件，從而實現(xiàn)調(diào)制器、接收器、無源光學器件高度集成的芯片；硅光模塊是指進一步將光源、硅光器件/芯片、外部驅動電路等集成到一個模塊，包括光收發(fā)模塊、光接收模塊和光收發(fā)一體模塊等。
硅光互連是利用互補金屬氧化物半導體（COMS）或者SiGeBiCMOS工藝進行光器件開發(fā)和集成的新一代技術，其核心理念是用激光束代替電子信號進行數(shù)據(jù)傳輸。硅光芯片中的光器件可以分為有源器件和無源器件。有源器件包括激光器、調(diào)制器和光電探測器；無源器件包括平面波導、光柵或邊緣耦合器等。
基于COMS工藝的硅光芯片是采用硅基材料和CMOS工藝生長而形成。由于采用了新型波導技術，這種工藝可以將電子和光子器件集成到單顆芯片中。基于COMS工藝的硅光芯片能夠利用半導體在超大規(guī)模、微小制造和集成化上的成熟工藝，具有功耗低、集成度高和工藝成熟且先進的優(yōu)勢。
SiGeBiCMOS工藝集成技術，是在制造電路結構中的雙極晶體管時，在硅基區(qū)材料中加入一定含量的鍺，形成應變硅異質結構晶體管，以改善雙極晶體管特性的一種硅基工藝集成技術。按照意法半導體的說法，BiCMOS可在單顆芯片上融合兩種不同工藝技術的優(yōu)勢：雙極晶體管可達到較高的速度和增益，滿足高頻模擬部分的要求，而CMOS技術則非常適合構成簡單的低功耗門邏輯電路。
目前，基于COMS工藝的硅光芯片和基于SiGeBiCMOS工藝的硅光芯片算是并駕齊驅。通過這樣的創(chuàng)新理念，硅光互連為數(shù)據(jù)中心傳輸帶來了新的解決方案。在傳統(tǒng)電信號傳輸中，存在嚴重的信號衰減和效率低等問題。英特爾曾在博文中表示，在一個數(shù)據(jù)中心內(nèi)部電路上，如使用PCB進行傳輸，在兩個芯片物理距離超過1米的情況下，接收端收到的信號強度僅為傳輸端的萬分之一。而光模塊的大帶寬，不僅可降低能耗和發(fā)熱，還能實現(xiàn)大容量光互連，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量，有效解決網(wǎng)絡擁堵和延遲等問題。
根據(jù)LightCounting的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年硅光子技術在每秒峰值速度、能耗、成本方面已經(jīng)全面超越傳統(tǒng)光模塊，預計到2024年全球硅光系統(tǒng)中光模塊市場市值將達65億美金。當然，硅光芯片的優(yōu)勢不僅在傳輸方面，在計算層面也有巨大的潛力。對于國產(chǎn)芯片來說，硅光計算芯片是AI芯片國產(chǎn)化和彎道超車的有效途徑。在計算過程中，光子器件具有高速、大帶寬和低功耗的特點，使得光子計算可以更好地實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理，也可以避免電子信號傳輸帶來的噪聲和時延等問題。
芯片巨頭和初創(chuàng)企業(yè)紛紛看好硅光芯片
由于硅光芯片在計算和連接方面體現(xiàn)出來的巨大優(yōu)勢，目前芯片產(chǎn)業(yè)無論是國際巨頭還是初創(chuàng)企業(yè)，都紛紛涌入這一賽道，并且國內(nèi)有很多科研機構也是重點研究硅光芯片。
就以國家信息光電子創(chuàng)新中心來說，該機構不僅研究硅光芯片，也研究硅光基礎器件等其他類型。2023年12月，國家信息光電子創(chuàng)新中心宣布首款國產(chǎn)化110GHz電光調(diào)制器研制成功，具有超高帶寬、超高速率、低啁啾、低驅動電壓、高線性度等特性，可以廣泛用于光通信、光互連、光計算、光電測試測量、微波光子等寬帶光電子信息系統(tǒng)。
企業(yè)方面，國內(nèi)華為研發(fā)硅光芯片的消息一直就沒有斷過，雖然沒有太多關于華為硅光芯片產(chǎn)品方面的消息，不過華為海思在硅光、光通信等方面有大量的公開專利，海思也在招聘光芯片方面的人才。另外，賽微電子曾在公開平臺上表示，該公司的角色是為華為（海思）提供硅光子芯片的代工服務，包括工藝開發(fā)和晶圓制造。
除了華為，國內(nèi)像源杰科技、長光華芯、華工科技、中際旭創(chuàng)、新易盛、劍橋科技、羅博特科、光迅科技、仕佳光子等公司也都在積極布局硅光芯片。
在國際廠商方面，為了增強自己在數(shù)據(jù)中心和高性能計算領域的競爭力，英特爾在硅光芯片領域是非?；钴S的。去年，英特爾曾在HotCHIPS會議上展示一款代號“Piuma”的處理器。這顆芯片采用了7nm工藝，擁有8核528線程，搭載了具有1TB/s硅光子互連的技術。目前，在英特爾官網(wǎng)在售的硅光器件包括英特爾硅光子技術100GCWDM4QSFP28光纖收發(fā)器、英特爾SiliconPhotonics400GFR4QSFP-DD光纖收發(fā)器等。
根據(jù)此前的媒體報道，臺積電曾聯(lián)合英偉達、博通等大客戶共同開發(fā)硅光子技術、共同封裝光學元件等新產(chǎn)品，制程技術從45nm延伸到7nm，最快今年下半年開始迎來大單，2025年有望邁入放量產(chǎn)出階段。而英偉達和博通等公司各自在硅光芯片方面也投入了很大的力量。英偉達方面，該公司2022年與AyarLabs合作開發(fā)帶外激光器與硅光互連方案；IEEEISSCC2024上，英偉達TomGray博士發(fā)表了硅基光電子技術在AI數(shù)據(jù)中心基礎設施中的應用和挑戰(zhàn)專題演講。
國際大廠投資硅光芯片的還有思科、Marvell、IBM等，另外硅光芯片賽道的初創(chuàng)企業(yè)也很活躍，包括AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence、Dustphotonics等，這些公司也有很強的技術實力，比如Dustphotonics推出了業(yè)界首款800G硅光子芯片。
結語
硅光芯片已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心、通信、激光雷達、傳感、高性能計算和人工智能等領域彰顯出廣闊的應用前景和產(chǎn)業(yè)化趨勢。Yole的數(shù)據(jù)顯示，預計2022年到2028年全球硅光子芯片市場規(guī)模將以44%的復合年增長率增長，其中數(shù)通光模塊在硅光子芯片市場中占比將超過90%，并成為主要應用場景。
