隨著AI模型持續(xù)迭代，算力資源仍然趨緊，AI模型推理需求或?qū)⒊掷m(xù)上升，蓬勃算力需求正推動(dòng)硅光芯片時(shí)代來臨。

01

硅光技術(shù)何許人也？

光模塊（Optical Modules）是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸過程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件，是光通信中的重要組成部分，光模塊的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)正向著“高速率、低成本、低功耗”發(fā)展。

硅光技術(shù)則將光通信的傳輸速率、集成度向更高水平推進(jìn)，是滿足不斷發(fā)展的大數(shù)據(jù)、人工智能、未來移動(dòng)通信等產(chǎn)業(yè)對(duì)高速通信需求的核心技術(shù)選擇之一，并可應(yīng)用于生醫(yī)感測(cè)、量子運(yùn)算、激光雷達(dá)等新興的外延應(yīng)用領(lǐng)域。

“芯片出光”是硅光技術(shù)核心理念，硅光技術(shù)利用成熟半導(dǎo)體CMOS工藝將光和電器件的開發(fā)與集成到同一個(gè)硅基襯底上，使光與電的處理深度融合到一塊芯片上，真正實(shí)現(xiàn)“光互連”。與傳統(tǒng)光電子相比，硅光具備集成度高、成本低、功耗低等顯著優(yōu)勢(shì)。

硅光單片集成

資料來源:《硅基光電異質(zhì)的集成與思考》

首先，硅光模塊的光源成本相比較傳統(tǒng)分立式方案能夠大幅降低。其中英特爾的激光器方案采用異質(zhì)集成方案，成本就比較低；目前大部分廠商的光源方案采用大功率CW光源，將傳統(tǒng)EML激光器中的EA調(diào)制器功能轉(zhuǎn)移到硅光芯片上，成本顯著降低。

同時(shí)，硅光芯片能夠集成發(fā)射端的準(zhǔn)直鏡、波分復(fù)用器件等光器件，從而實(shí)現(xiàn)成本降低。

并且通道數(shù)越多，硅光方案制造工藝成本越有優(yōu)勢(shì)。400G往800G和1.6T升級(jí)時(shí)，主流方案中的通道數(shù)從四通道升級(jí)到八通道，傳統(tǒng)方案中制造工藝步驟大幅增加，成本顯著增長(zhǎng)，而硅光芯片只需要多設(shè)計(jì)四個(gè)通道，工藝上變化較小，成本較低。

傳統(tǒng)和硅光模塊的成本拆分對(duì)比

資料來源：CW-WDMMSA

同時(shí)，硅光芯片還使得電子元件與光學(xué)元件能夠在同一芯片上集成，提高了集成度和系統(tǒng)性能。硅的折射率高達(dá)3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑，從而減小器件尺寸并提高集成度。此外，硅對(duì)于波長(zhǎng)為1.1~1.6微米的光波近乎無損透明，因此完全與光通信器件的1.3~1.6微米工作波段兼容。

此外，硅光技術(shù)有較高的帶寬，能夠在極小的波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳輸大量數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的電傳輸技術(shù)，光傳輸能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬，極大提升通信效率，這也意味著在數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算中，使用硅光技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更低的傳輸延遲。

02

契機(jī)已至

2023之后開啟量產(chǎn)

其實(shí)硅光技術(shù)并沒有那么“新”。

早在1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室提出硅光子技術(shù)。1985年，硅基光子集成電路（PIC）問世。1991年至1992年，在厚絕緣體上硅（SOI）工藝中實(shí)現(xiàn)了低損耗波導(dǎo)。在這個(gè)階段，硅光子技術(shù)主要處于理論和實(shí)驗(yàn)研究階段，探索硅材料在光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用可能性。相較于集成電路的成熟發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用，硅光技術(shù)在誕生之后的30多年里發(fā)展一直相對(duì)緩慢，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尚不成熟。

2000年至2009年，為硅光技術(shù)的技術(shù)突破階段。硅光子技術(shù)開始取得一系列重要的技術(shù)突破，PIC的組件數(shù)量開始增長(zhǎng)，低損耗波導(dǎo)和多種光學(xué)器件的研發(fā)成功，為硅光子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2010年，英特爾開發(fā)出首個(gè)50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片，標(biāo)志著硅光芯片開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，之后十余年間硅光技術(shù)進(jìn)入集成應(yīng)用時(shí)期。

2023年后，硅光迎來產(chǎn)業(yè)爆發(fā)契機(jī)。3月份，OpenAI正式發(fā)布GPT-4，參數(shù)量達(dá)到萬億級(jí)別。在全球大模型熱潮下，算力需求正呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)硅光需求不斷上升。同時(shí)，海內(nèi)外巨頭公司瞄準(zhǔn)硅光賽道收并購(gòu)頻發(fā)，科技巨頭公司高度重視硅光技術(shù)。目前投入研發(fā)的公司不僅包括Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago等光通信公司，Intel、IBM、思科、Imec等半導(dǎo)體廠商和華為等設(shè)備商也加入了這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)。10月，Intel宣布將硅光子業(yè)務(wù)的可插拔模塊部分出售給Jabil，專注于更高價(jià)值的組件業(yè)務(wù)和光學(xué)I/O解決方案。

2024年4月，臺(tái)積電在2024年北美技術(shù)研討會(huì)上概述了其3D光學(xué)引擎路線圖，并制定了為全球帶來高達(dá)12.8Tbps光學(xué)連接的計(jì)劃。5月16日，中國(guó)光谷·光電子信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會(huì)于中國(guó)光谷科技會(huì)展中心隆重開幕，會(huì)上光迅科技展出了重要技術(shù)里程碑的1.6TOSFP—XD硅光模塊，其采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度集成、簡(jiǎn)化封裝和大規(guī)模生產(chǎn)。這種基于硅光的光模塊因其超高的傳輸速率和可靠性，可在數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高速互連。

光迅科技1.6T硅光模塊 資料來源：光迅科技公眾號(hào)

近日，國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心和鵬城實(shí)驗(yàn)室的光電融合聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成了2Tb/s硅光互連芯粒的研制和功能驗(yàn)證，在國(guó)內(nèi)首次驗(yàn)證了3D硅基光電芯粒架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單片最高達(dá)8×256Gb/s的單向互連帶寬。

03

市場(chǎng)空間有多大？

根據(jù)Yole官網(wǎng)，2022年全球硅光芯片市場(chǎng)空間為6800萬美元，預(yù)計(jì)到2028年將增長(zhǎng)到6億美元以上，2022-2028年CAGR達(dá)44%。這一增長(zhǎng)將主要受到800G高數(shù)據(jù)速率可插拔模塊的推動(dòng)。此外，快速增長(zhǎng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模的預(yù)測(cè)表明，數(shù)據(jù)將需要在ML服務(wù)器中使用光學(xué)I/O來縮放ML模型。

而根據(jù)Light Counting資料顯示，人工智能集群對(duì)光連接的需求激增，扭轉(zhuǎn)了GaAs VCSEL市場(chǎng)份額下降的趨勢(shì)。英偉達(dá)購(gòu)買了近200萬個(gè)400GSR4和800GSR8光模塊，并計(jì)劃今年再購(gòu)買400萬個(gè)。

Light Counting預(yù)計(jì)基于GaAs和InP的光模塊的市場(chǎng)份額將逐步下降，而硅光子（SiP）和鈮酸鋰薄膜（TFLN）PIC的份額將有所上升。LPO和CPO的采用也將促進(jìn)SiP甚至TFLN器件的市場(chǎng)份額增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2029年，硅光芯片的銷售額將達(dá)到30億美元。

04

相關(guān)企業(yè)有哪些？

首先在硅光工藝設(shè)備方面，相比較傳統(tǒng)光模塊，硅光的組裝工藝步驟大大簡(jiǎn)化，但硅光工藝的精度要求較高，主要是由于耦合損耗通常是硅光模塊中較高的損耗組成部分。在400G及以上的光模塊中，功耗是很重要的性能參數(shù)之一，若耦合損耗較高，則光模塊功耗會(huì)有明顯增加，且耦合損耗掉的能量主要以熱的形式消耗掉，對(duì)散熱的要求也會(huì)有一定的提升。

硅光模塊的組裝涉及到的高精度工藝主要包括，貼片、耦合和測(cè)試。硅光工藝設(shè)備中除了包括高精度的硬件，軟件和配套的技術(shù)支持也是非常重要的組成部分。同時(shí)，在未來CPO光引擎、芯片間光互連等領(lǐng)域，對(duì)于硅光組裝工藝的要求將會(huì)越來越高。

Ficontec是全球光子及半導(dǎo)體自動(dòng)化封裝和測(cè)試領(lǐng)域的領(lǐng)先設(shè)備制造商之一，在硅光封裝設(shè)備領(lǐng)域具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。羅博特科目前間接持有Ficontec約18.82%的股權(quán)，未來或?qū)⑹召?gòu)剩余81.18%股權(quán)達(dá)到全資控股。

在硅光模塊大功率CW光源方面，由于相比較傳統(tǒng)的EML激光器，大功率CW激光器為硅光模塊提供連續(xù)的光信號(hào)，光功率保持不變，將調(diào)制功能剝離到硅光芯片上的調(diào)制器上，這樣既可以降低激光器成本，也可以降低光模塊的失效比例，因此是硅光模塊主要采用的激光器方案之一。包括源杰科技、仕佳光子等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)多家光芯片公司都在布局，均推出了各種功率的CW光源產(chǎn)品。

硅光器件和硅光模塊是硅光子產(chǎn)業(yè)鏈的主力環(huán)節(jié)，頭部廠商在硅光子技術(shù)的深度布局也將影響硅光產(chǎn)品的滲透率。此前硅光子技術(shù)推動(dòng)者主要是海外巨頭廠商，包括英特爾、思科和Lumentum等。隨著硅光子技術(shù)的不斷發(fā)展，多家國(guó)內(nèi)外廠商具備了硅光子技術(shù)的設(shè)計(jì)和封裝等能力，有望加速硅光子產(chǎn)品的滲透。

其中中際旭創(chuàng)是全球領(lǐng)先的光模塊頭部廠商，在硅光芯片領(lǐng)域深耕多年，公司在400G、800G等產(chǎn)品都有硅光產(chǎn)品的布局，有望在2025年能夠?qū)崿F(xiàn)批量化出貨。

天孚通信的光引擎產(chǎn)品，既有傳統(tǒng)分立式方案也有硅光方案。在硅光方案中，天孚通信既可以提供配套的FA連接器、MT產(chǎn)品、PM產(chǎn)品等光無源器件，也可以提供硅光封裝工藝，具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。博創(chuàng)科技則與海外硅光芯片頭部廠商保持深度合作，高速光模塊具備較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

此外還有硅光工藝代工廠，目前大部分硅光器件/模塊廠商都會(huì)選擇自己定制化芯片設(shè)計(jì)，然后將版圖給到代工廠進(jìn)行流片。當(dāng)前中芯國(guó)際等廠商在布局硅光子技術(shù)。燕東微硅光工藝平臺(tái)的一款光通信產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)工藝貫通，進(jìn)入樣品批試制階段。