三十年沉浮，曙光已現，硅光技術(shù)的發(fā)展與思考

  ICC訊 硅光的概念早在20世紀90年代初便已被提出，但相較于集成電路的成熟發(fā)展和規?；瘧?，其在誕生之后的30多年里發(fā)展一直相對緩慢，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統尚不成熟。究其核心原因，在于尚沒(méi)有巨大的應用場(chǎng)景驅動(dòng)。隨著(zhù)云計算、大數據、人工智能的快速發(fā)展，社會(huì )對于信息獲取與處理效率的需求持續攀升，但摩爾定律失效在即，硅光技術(shù)正憑借其在高通量、高能效比、超低延遲、低成本等方面的突出優(yōu)勢，成為確定性的技術(shù)發(fā)展趨勢。

  核心觀(guān)點(diǎn)：

  目前，硅光產(chǎn)業(yè)正處于前期擴張階段，在光通信尤其是數通短距場(chǎng)景已取得局部商業(yè)成功，正在逐步拓展至光傳感、光計算等新興應用領(lǐng)域;

  片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業(yè)化成功的應用;

  硅光工藝領(lǐng)域，光電封裝或將是發(fā)展最快的賽道，而共封裝光學(xué)(CPO)是最值得關(guān)注的技術(shù)方向;

  硅光產(chǎn)業(yè)的基礎是硅光生態(tài)，若要推動(dòng)萬(wàn)億產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的落地，不僅需要應用側的拉動(dòng)，更需要底層生態(tài)的建設，尤其是工藝平臺的建設至關(guān)重要。

  一、硅光產(chǎn)業(yè)綜述

  硅光技術(shù)是以硅和硅基襯底材料(如SiGe/Si、SOI等)作為光學(xué)介質(zhì)，通過(guò)互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容的集成電路工藝制造相應的光子器件和光電器件(包括硅基發(fā)光器件、調制器、探測器、光波導器件等)，并利用這些器件對光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測和處理，以實(shí)現其在光通信、光傳感、光計算等領(lǐng)域中的實(shí)際應用。如20世紀70年代的微電子技術(shù)一般，硅光產(chǎn)業(yè)正處于前期擴張階段，未來(lái)更是有望成為媲美集成電路龐大規模的產(chǎn)業(yè)，拉動(dòng)萬(wàn)億市場(chǎng)。正因如此，諸如Intel、IBM、Oracle、中興通訊等著(zhù)名的半導體企業(yè)和信息技術(shù)企業(yè)，正投入大量的人力和財力推進(jìn)硅光的產(chǎn)業(yè)化。這其中的標志性事件，便是注重規模效應的晶圓代工公司GlobalFoundries(格羅方德，業(yè)內簡(jiǎn)稱(chēng)“格芯”)于今年3月份推出了硅光子平臺Fotonix，以此布局90WG和45CLO工藝節點(diǎn)以及封裝工藝，平臺合作伙伴包括4家頂級光子收發(fā)器供應商中的3家、5家頂級網(wǎng)絡(luò )公司中的4家、4家領(lǐng)先的EDA和仿真公司中的3家，以及一些最有前途的基于光子學(xué)的初創(chuàng )公司。在需求與資源投入的雙重驅動(dòng)之下，近幾年硅光產(chǎn)業(yè)呈現高速增長(cháng)態(tài)勢，根據知名半導體分析機構Yole的預測，硅光市場(chǎng)將從2020年的約0.87億美元增長(cháng)到2025年的約11億美元，復合年增長(cháng)率達49%。目前，硅光在光通信尤其是數通短距場(chǎng)景已取得局部商業(yè)成功，正在逐步拓展至光傳感、光計算等新興應用領(lǐng)域，尤其是光傳感領(lǐng)域的可穿戴健康監測芯片，隨著(zhù)健康監測版本Apple Watch的發(fā)布，硅光將陸續打開(kāi)市場(chǎng)局面并保持高速增長(cháng)。

數據來(lái)源：Silicon Photonics 2021 rep

  二、硅光的應用場(chǎng)景

  光通信領(lǐng)域——硅光芯片的主要應用場(chǎng)景。目前，產(chǎn)業(yè)內已基本建立了面向數據中心、光纖傳輸、5G承載網(wǎng)、光接入等市場(chǎng)的系列硅光通信產(chǎn)品解決方案，其中數據中心光通信是硅光的最大市場(chǎng)，微軟的內部數據中心互連有超過(guò)40%是基于硅光芯片實(shí)現。數據中心場(chǎng)景下，CSP和云提供商(諸如Facebook、Apple、騰訊等)正轉向大規模數據中心，Capex支出持續提升以支持客戶(hù)的高帶寬需求，通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代，而且迭代周期持續縮短。在此背景下，傳統的可插拔光模塊在性?xún)r(jià)比及功耗方面已然“捉襟見(jiàn)肘”，而高集成高速硅光芯片由于在潛在降價(jià)空間與功耗方面有明顯優(yōu)勢，則成為更優(yōu)越的選項。市場(chǎng)的選擇是最好的證明，目前100G硅光模塊已局部商業(yè)成功，雖然400G、800G硅光模塊滲透率不會(huì )有顯著(zhù)增長(cháng)，但業(yè)內的共識是通信速率至1.6T階段硅光模塊應用將明顯起量。當然，尚需關(guān)注硅光技術(shù)尤其是CPO封裝技術(shù)的發(fā)展所帶來(lái)的性?xún)r(jià)比提升程度。此外，在5G承載網(wǎng)市場(chǎng)中，5G前傳(電信側光模塊)是硅光技術(shù)的又一市場(chǎng)增長(cháng)點(diǎn)，Intel已針對5G前傳發(fā)布具有擴展工作溫度范圍的100G收發(fā)器，支持在-40℃~85℃的工作溫度范圍內通過(guò)單模光纖實(shí)現10km鏈路。雖然滲透率的節奏很難有明確判斷，但硅光趨勢的確定性毋庸置疑。Intel作為硅光領(lǐng)域的帶頭企業(yè)，已然搶占硅光通信40%以上的市場(chǎng)份額;Cisco、Marvell、Broadcom等通信光模塊頭部企業(yè)則基于并購模式布局硅光模塊業(yè)務(wù);國內企業(yè)中，華為(海思)、海信寬帶(Hisense)、旭創(chuàng )科技(Innolignt)、亨通光電、光迅科技(Accelink)等光模塊廠(chǎng)商陸續推出硅光通信模塊，旭創(chuàng )科技成立硅光業(yè)務(wù)事業(yè)部并且發(fā)展迅速，亨通光電則與英國洛克利公司(Rockley Photonics)合資成立“亨通洛克利”來(lái)布局硅光產(chǎn)品。此外，諸如熹聯(lián)光芯、賽勒光電、羲禾科技、雨數光科等大批創(chuàng )業(yè)企業(yè)也紛紛涌入硅光賽道，但目前尚待高速率通信應用市場(chǎng)成熟，尤其是1.6T等更高速率光模塊市場(chǎng)高速發(fā)展。光傳感領(lǐng)域——應用場(chǎng)景眾多且迭代迅速，硅光發(fā)展潛力巨大?，F階段來(lái)看，面向自動(dòng)駕駛的激光雷達硅光芯片以及面向消費者健康監測及診斷的硅光芯片將是重要增長(cháng)點(diǎn)。自動(dòng)駕駛已然是國際公認的未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，而基于激光雷達的自動(dòng)駕駛方案生態(tài)更為完善，本質(zhì)在于冗余設計至關(guān)重要，且激光雷達可以感知長(cháng)尾問(wèn)題，但性?xún)r(jià)比與車(chē)規要求限制了激光雷達的車(chē)載應用節奏。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)篩選，基于硅光的OPA+FMCW方案的全固態(tài)激光雷達(LiDAR)，成為了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界皆公認的終局方案，市場(chǎng)潛力巨大。正因如此，目前國內的洛微科技、摩爾芯光等基于硅光的激光雷達創(chuàng )業(yè)企業(yè)，備受資本青睞。在生物傳感領(lǐng)域，硅光集成方案逐步在多個(gè)場(chǎng)景落地，譬如Surfix基于硅光集成方案實(shí)現快速高精度核酸檢測、Aryballe開(kāi)發(fā)出微型硅光子人造鼻以此識別氣味“指紋”等等，而目前公認最有市場(chǎng)前景的當屬可穿戴設備。

  據悉，2022年或2023年，Apple與英國洛克利公司(Rockley Photonics)將合作推出集成了片上光譜儀的Apple Watch。此外，Amazon、Microsoft、Facebook、Google、騰訊等紛紛入局，國內也涌現許多片上光譜儀創(chuàng )業(yè)企業(yè)，如與光科技、求是光譜等等。Yole判斷，隨著(zhù)健康監測版本Apple Watch的發(fā)布，用于健康監測的光傳感芯片市場(chǎng)將保持高速增長(cháng)。未來(lái)，硅光生物傳感芯片也可廣泛應用于低成本、小尺寸的醫療設備，并有望在2026年超過(guò)硅光通信的市場(chǎng)規模。

  隨著(zhù)摩爾定律的失效，光計算與硅光概念同時(shí)被關(guān)注。目前電子計算面臨存算、I/O、功耗三大瓶頸問(wèn)題，逐漸難以滿(mǎn)足超高速、低延遲的海量數據處理需求，光計算基于光子作為玻色子在傳輸方面的天然優(yōu)勢與多維信息處理優(yōu)勢，成為下一代計算范式的理想選擇，而硅光集成則是光計算商業(yè)化落地的基本前提。目前備受關(guān)注的光計算細分方向主要為基于硅光的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )AI處理器芯片與光互連，需要說(shuō)明的是，光互連雖然基于光通信原理，但解決的是光計算I/O問(wèn)題，故暫且將其歸于光計算領(lǐng)域。受限于計算規模、計算精度及算法生態(tài)等方面的限制，光電融合計算仍是主要計算方案，但也尚未產(chǎn)業(yè)化應用。

  短期內，片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業(yè)化成功的應用。目前，Intel數據中心已采用片間光互連提高計算效能，NVIDIA也將與Ayar Labs合作將光學(xué)I/O應用于A(yíng)I/HPC架構。Ayar Lab是光互連賽道的主要創(chuàng )業(yè)公司，持續融資已超過(guò)2億美元，B輪估值為11.375億美元，C輪估值估計已超過(guò)20億美元，投資方包括Intel、NVIDIA、Global Foundries等。據悉，光計算創(chuàng )業(yè)企業(yè)曦智科技也將推出光互連相關(guān)產(chǎn)品。此外，光量子計算本質(zhì)也屬于光計算范疇，但光量子計算落地周期樂(lè )觀(guān)預計仍需5~10年左右，短期內無(wú)法拉動(dòng)硅光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

  三、硅光的發(fā)展生態(tài)

數據來(lái)源：Silicon Photonics 2021 report，Yole

  硅光產(chǎn)業(yè)是大勢所趨，應用場(chǎng)景側的市場(chǎng)空間潛力令人激動(dòng)，但回歸制造業(yè)本質(zhì)，硅光產(chǎn)業(yè)的基礎是硅光生態(tài)，若要推動(dòng)萬(wàn)億產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的落地，不僅需要應用側的拉動(dòng)，更需要底層工藝生態(tài)的建設。目前硅光產(chǎn)業(yè)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，在于工藝平臺尚不成熟、硅基有源器件難以實(shí)現以及納米尺寸硅光技術(shù)路徑尚未收斂等等，尤其是工藝平臺的建設至關(guān)重要。以集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史為對照，其各個(gè)重要里程碑節點(diǎn)始終伴隨半導體工藝的優(yōu)化發(fā)展。因此，布局硅光工藝平臺是硅光應用持續滲透的關(guān)鍵。廣義的硅光工藝平臺包括設計工具、加工、封裝等工藝全鏈路。工藝生態(tài)的建設將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長(cháng)期目標，譬如硅光設計工具尚未統一、半導體CMOS工藝無(wú)法支撐大規模集成、硅光芯片差異化設計增加工藝監測與優(yōu)化難度等問(wèn)題，都需要更多資源投入。我國目前已布局多條工藝與量產(chǎn)產(chǎn)線(xiàn)，主要為中科院微電子所硅光工藝平臺、中科院微系統所硅光工藝平臺、重慶聯(lián)合微電子中心，此外商業(yè)化晶圓代工廠(chǎng)譬如燕東、中芯國際也已在布局硅光工藝研發(fā)，加速硅光量產(chǎn)進(jìn)程。我們判斷，光電封裝或將是發(fā)展最快的賽道，而共封裝光學(xué)(CPO)是最值得關(guān)注的技術(shù)方向。根據國外市場(chǎng)調研機構CIR的數據，到2027年，共封裝光學(xué)(CPO)市場(chǎng)收入將達到54億美元?？v觀(guān)硅光產(chǎn)業(yè)生態(tài)，從工藝到應用，在Intel、Cisco、Juniper等領(lǐng)軍企業(yè)的持續大力投入之下，硅光全產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，技術(shù)標準相繼形成，已逐漸從學(xué)術(shù)研究驅動(dòng)轉變?yōu)槭袌?chǎng)需求驅動(dòng)的良性循環(huán)。在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的大力推動(dòng)布局之下，硅光將有望在未來(lái)20~30年發(fā)展成為媲美集成電路的龐大產(chǎn)業(yè)。就國內而言，尚需投入更多資源布局底層工藝生態(tài)，并扶持硅光設計公司開(kāi)拓應用，以期在硅光賽道構建競爭優(yōu)勢，實(shí)現芯片領(lǐng)域的彎道超車(chē)。