硅光技術(shù)是在硅和硅基襯底材料（如硅、硅鍺、絕緣襯底硅 SOI 等）上，利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（COMS）工藝進(jìn)行光器件開(kāi)發(fā)和集成的新一代技術(shù)，其核心理念是用激光束代替電子信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。硅光芯片就是利用成熟的半導(dǎo)體工藝，在硅基上直接蝕刻或集成調(diào)制器、接收器等器件，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制器、接收器、無(wú)源光學(xué)器件高度集成的芯片。

目前市場(chǎng)上的主流通信傳輸方式是通過(guò)光模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)光 - 電信號(hào)的傳輸。硅光芯片要取代成熟的光模塊，到底有何優(yōu)異之處？隨著 AI 的不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)上升，但傳統(tǒng)的電信號(hào)傳輸在高速傳輸上有明顯的缺點(diǎn)。據(jù) Intel 公布的數(shù)據(jù)顯示，在一個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部電路上，如使用 PCB 進(jìn)行傳輸，在兩個(gè)芯片物理距離超過(guò) 1 米以上的情況下，接收端收到的信號(hào)強(qiáng)度僅為傳輸端的萬(wàn)分之一。而光纖在以往的案例上已經(jīng)證明了其在長(zhǎng)距離傳輸上損耗較少，因而光信號(hào)傳輸在數(shù)據(jù)中心時(shí)代有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的光模塊上，各類(lèi)調(diào)制器、器件實(shí)際上是在 PCB 上通信，而隨著人工智能時(shí)代的來(lái)臨，PCB 通信的制約越來(lái)越多。這種情況下，更高集成度、更低功率、更強(qiáng)速率的硅光芯片成為更佳選擇。

圖表 1：硅光芯片的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)。數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料、RimeData 來(lái)覓數(shù)據(jù)整理

自上世界 80 年代發(fā)明以來(lái)，硅光芯片由于制備難度大的缺點(diǎn)，場(chǎng)景一直相對(duì)比較局限。但根據(jù) C114 通信網(wǎng)消息，硅光芯片最近的突破性進(jìn)展包括引入了在硅上制造有源光學(xué)元件的創(chuàng)新方法，并在幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，未來(lái)硅光技術(shù)進(jìn)展有望加速。根據(jù)知名咨詢(xún)機(jī)構(gòu) Yole 對(duì)市場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，2022 年全球硅光市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 6,800 萬(wàn)美元，受益于用于提升光纖網(wǎng)絡(luò)容量的數(shù)據(jù)中心收發(fā)器的推動(dòng)，預(yù)期 2028 年全球硅光市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 6 億美元，期間硅光芯片年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)估為 44%。

圖表 2：2022-2028E 硅光芯片市場(chǎng)規(guī)模（單位：百萬(wàn)美元）。數(shù)據(jù)來(lái)源：Yole、RimeData 來(lái)覓數(shù)據(jù)整理

硅光芯片中的光器件可以分為有源器件和無(wú)源器件。有源器件包括激光器、調(diào)制器和光電探測(cè)器；無(wú)源器件包括平面波導(dǎo)、光柵或邊緣耦合器等?；谶@些器件，可以構(gòu)成光發(fā)射 / 接收芯片，并開(kāi)展陣列化的應(yīng)用，最終通過(guò)光子集成技術(shù)（PIC）來(lái)實(shí)現(xiàn)硅光芯片。硅光產(chǎn)業(yè)可分為三個(gè)層次：硅光器件、硅光芯片和硅光模塊。硅光器件包括光源、調(diào)制器、探測(cè)器、波導(dǎo)等，是實(shí)現(xiàn)各種功能的基本單元；硅光芯片是指將光發(fā)送集成芯片、光接收集成芯片、光收發(fā)集成芯片、相同功能器件陣列化集成芯片（探測(cè)器陣列芯片、調(diào)制器陣列芯片等）等若干基本器件進(jìn)行單片集成；硅光模塊是指進(jìn)一步將光源、硅光器件 / 芯片、外部驅(qū)動(dòng)電路等集成到一個(gè)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，是系統(tǒng)級(jí)的硅光產(chǎn)品形態(tài)。

圖表 3：硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈。數(shù)據(jù)來(lái)源：21 世紀(jì)電源網(wǎng)、RimeData 來(lái)覓數(shù)據(jù)整理

業(yè)內(nèi)認(rèn)為，硅光芯片可以分為三個(gè)階段：第一階段為硅器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來(lái)，達(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化；第二階段為集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)部分集成，再把這些器件像堆積木一樣組合起來(lái)，集成不同的芯片；第三階段為光電一體技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)光電全集成化。根據(jù)中科院半導(dǎo)體研究所的王啟明院士介紹，目前硅光芯片技術(shù)正發(fā)展到第二階段。硅光芯片要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，需要依托硅材料與不同種類(lèi)光電材料的異質(zhì)集成，以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)異特性。

圖表 4：硅光模塊集成發(fā)展方案。數(shù)據(jù)來(lái)源：華中科技大學(xué)、RimeData 來(lái)覓數(shù)據(jù)整理

國(guó)家政策不斷鼓勵(lì)硅光芯片發(fā)展。2017 年 11 月 28 日，工信部正式批復(fù)同意武漢建設(shè)國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心，該中心由光迅科技、烽火通信、亨通光電等多家企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)共同參與建設(shè)，匯聚了國(guó)內(nèi)信息光電子領(lǐng)域超過(guò) 60% 的創(chuàng)新資源，承載著解決我國(guó)信息光電子制造業(yè) " 關(guān)鍵和共性技術(shù)協(xié)同研發(fā) " 及 " 實(shí)現(xiàn)首次商業(yè)化 " 的戰(zhàn)略任務(wù)，著力破解信息光電子 " 缺芯 " 的局面。工信部 2017 年底發(fā)布的《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖（2018-2022 年）》指出，目前高速率光芯片國(guó)產(chǎn)化率僅 3% 左右，要求 2022 年中低端光電子芯片的國(guó)產(chǎn)化率超過(guò) 60%，高端光電子芯片國(guó)產(chǎn)化率突破 20%。2023 年 11 月，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)提出，要資助 CMOS 兼容的硅光器件、接口及硅基三維集成工藝等。此外，2024 年兩會(huì)上，中科院微電子所研究員王宇建議，將硅光芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展明確列為政府支持范圍，并鼓勵(lì)企業(yè)、資本、人才聚集硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)相關(guān)細(xì)分領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化。

在政策帶動(dòng)下，各地政府也紛紛入局。上海市明確提出發(fā)展光子芯片與器件，重點(diǎn)突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發(fā)與應(yīng)用，對(duì)光子器件模塊化技術(shù)、給予 CMOS 的硅光子工藝、芯片集成化技術(shù)、光電集成模塊封裝技術(shù)等方面的研究開(kāi)展重點(diǎn)攻關(guān)。2018 年 10 月，由重慶市政府重磅打造的國(guó)家級(jí)國(guó)際化新型研發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司在重慶注冊(cè)成立，首期投資超 100 億元。2023 年 9 月，湖北省人民政府提出搭建國(guó)際領(lǐng)先的硅光芯片創(chuàng)新平臺(tái)，支持武漢新芯、國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心等單位建設(shè)國(guó)內(nèi)首個(gè) 12 英寸商用硅光芯片創(chuàng)新平臺(tái)。

目前硅光行業(yè)由海外公司主導(dǎo)。2024 年 2 月 22 日在國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)（ISSCC 2024）上，臺(tái)積電正式公布了其用于高性能計(jì)算 （HPC）、人工智能芯片的全新封裝平臺(tái)。臺(tái)積電的新封裝技術(shù)通過(guò)硅光子技術(shù)，使用光纖替代傳統(tǒng) I/O 電路傳輸數(shù)據(jù)。而另一大特點(diǎn)是，使用異質(zhì)芯片堆棧在 IC 基板上，采用混合鍵合來(lái)最大化 I/O，這也使得運(yùn)算芯片和 HBM 高帶寬存儲(chǔ)器可以安裝在硅中介層上。這一封裝技術(shù)將采用集成穩(wěn)壓器來(lái)處理供電的問(wèn)題。

去年以來(lái)，臺(tái)積電已頻頻傳出布局硅光及 CPO（光電共封裝）的動(dòng)向。2023 年末有消息稱(chēng)，臺(tái)積電正與博通、英偉達(dá)等大客戶(hù)聯(lián)手開(kāi)發(fā)硅光及 CPO 光學(xué)元件等新品，最快 2024 年下半年開(kāi)始迎來(lái)大單，2025 年有望邁入放量產(chǎn)出階段。業(yè)內(nèi)分析稱(chēng)，高速資料傳輸目前仍采用可插拔光學(xué)元件，隨著傳輸速度快速進(jìn)展并進(jìn)入 800G 時(shí)代、未來(lái)更將迎來(lái) 1.6T 至 3.2T 等更高傳輸速率，功率損耗及散熱管理問(wèn)題將會(huì)是最大難題。而半導(dǎo)體業(yè)界推出的解決方案，便是將硅光子光學(xué)元件及交換器 ASIC，通過(guò) CPO 封裝技術(shù)整合為單一模組，此方案已開(kāi)始獲得微軟、meta 等大廠認(rèn)證并采用在新一代網(wǎng)路架構(gòu)。2024 年或?qū)⒊蔀?" 硅光元年 "。

投融動(dòng)態(tài)

硅光芯片曾是阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的 2022 年十大科技趨勢(shì)之一，達(dá)摩院認(rèn)為光電融合、硅光和硅電子取長(zhǎng)補(bǔ)短將驅(qū)動(dòng)算力持續(xù)提升，未來(lái) 3 年，硅光芯片將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸；未來(lái) 5-10 年，以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計(jì)算將逐步取代電子芯片的部分計(jì)算場(chǎng)景。目前全球硅光產(chǎn)業(yè)都處于比較初級(jí)的階段，英特爾在該領(lǐng)域下注頗多，其 2018 年推出的 100Gbit/S PSM4 QSFP28 硅光模塊累計(jì)出貨量超 300 萬(wàn)支；目前英特爾、英偉達(dá)、思科、Acacia 等國(guó)際巨頭，以及國(guó)內(nèi)的中際旭創(chuàng)、光迅科技等企業(yè)紛紛在硅光技術(shù)領(lǐng)域加碼布局。AI 芯片巨頭英偉達(dá)持續(xù)關(guān)注硅光技術(shù)的發(fā)展，曾在 2022 年的 OFC 展示了使用密集波分復(fù)用 CPO 器件的目標(biāo)，以及如何將硅光用作交叉連接機(jī)架的傳輸和機(jī)架的 GPU 計(jì)算引擎；英偉達(dá)參與了硅光廠商 Ayar Labs 的 C 輪 &C1 融資；臺(tái)積電于 2023 年入局，并計(jì)劃于 2024 年量產(chǎn)硅光芯片，2025 年訂單會(huì)集中爆發(fā)。

在當(dāng)前中美科技競(jìng)爭(zhēng)的背景下，國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)始測(cè)試并驗(yàn)證國(guó)內(nèi)的硅光產(chǎn)品，尋求國(guó)產(chǎn)替代，以促進(jìn)硅光芯片行業(yè)的自主化進(jìn)程。當(dāng)前部分中國(guó)光芯片企業(yè)已進(jìn)行了一定的技術(shù)積累，如華為海思、阿里等已經(jīng)率先采用新型硅光芯片進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，如華為 6G AI 芯片、阿里云芯片等，尤其是部分初創(chuàng)企業(yè)的設(shè)計(jì)能力具備一定的全球市場(chǎng)認(rèn)可度與競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)硅光芯片的參與者主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是傳統(tǒng)光模塊企業(yè)縱向布局，如中際旭創(chuàng)、劍橋科技等；另一類(lèi)則是海外科技大廠技術(shù)人員回國(guó)創(chuàng)業(yè)，如光梓科技、賽勒科技等。硅光芯片在一級(jí)市場(chǎng)融資事件雖然不多，但融資金額普遍較大，也代表了資本對(duì)這一細(xì)分賽道的看好。

根據(jù)來(lái)覓 PEVC 數(shù)據(jù)，2023 年以來(lái)，國(guó)內(nèi)硅光芯片領(lǐng)域共發(fā)生 10 起融資案例，所涉融資階段多處于中后期（B 輪及以后），所涉融資金額較大，多在億元及以上，資本正加速搶占這一賽道。硅光芯片的制造不完全依賴(lài)先進(jìn)制程，更關(guān)注于波長(zhǎng)尺度，其器件尺寸在數(shù)十納米到數(shù)百納米不等，成熟制程工藝亦可覆蓋，卡脖子風(fēng)險(xiǎn)不大。硅光芯片的壁壘還包括客戶(hù)認(rèn)證，隨著國(guó)內(nèi)光通信領(lǐng)域的高歌猛進(jìn)，硅光芯片有望伴隨國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈一起成長(zhǎng)。目前中國(guó)在硅光領(lǐng)域的發(fā)展還處于快速追趕階段，但通過(guò)國(guó)際合作、跨境并購(gòu)等手段正不斷縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，在不久后的將來(lái)，中國(guó)亦有可能成為硅光的重要競(jìng)爭(zhēng)者和參與者。

圖表 5：2023 年 -2024 年 2 月國(guó)內(nèi)硅光芯片領(lǐng)域融資情況。數(shù)據(jù)來(lái)源：RimeData 來(lái)覓數(shù)據(jù)

展望

數(shù)據(jù)中心時(shí)代硅光模塊迅猛增長(zhǎng)或帶動(dòng)上游硅光芯片需求。云業(yè)務(wù)、云服務(wù)刺激數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)也將直接帶動(dòng)光模塊、光芯片需求的快速增長(zhǎng)。隨著多核處理器、內(nèi)存需求和 I/O 帶寬需求的持續(xù)增加導(dǎo)致鏈接和網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力加大，同時(shí)帶寬的升級(jí)也會(huì)帶動(dòng)功率的快速提升。作為下一代互聯(lián)技術(shù)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，光互連具有寬頻段、抗電磁干擾、強(qiáng)保密性、低傳輸損耗、小功率等明顯優(yōu)于電互連的特點(diǎn)，是一種極具潛力的代替或補(bǔ)充電互連的方案。光互聯(lián)在未來(lái)數(shù)據(jù)中心的占比將越來(lái)越大，硅光集成技術(shù)將充分發(fā)揮光互連的帶寬優(yōu)勢(shì)。

圖表 6：2020-2027E 硅光模塊市場(chǎng)規(guī)模（單位：億美元）。數(shù)據(jù)來(lái)源：Light Counting、RimeData 來(lái)覓數(shù)據(jù)整理

人工智能將成為硅光芯片爆發(fā)式增長(zhǎng)的強(qiáng)勁動(dòng)力。AIGC、超算中心以及遠(yuǎn)期 XR（混合現(xiàn)實(shí)）商業(yè)化應(yīng)用加速落地的背景下，算力基礎(chǔ)設(shè)施的海量增長(zhǎng)和升級(jí)換代將成為必然趨勢(shì)。算力的成倍甚至是指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)下，催生高速率、大帶寬的網(wǎng)絡(luò)需求，光模塊向更高速率演進(jìn)，將有力推動(dòng)硅光的技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。此外，相干及 CPO 等具備高成本效益、高能效、低能耗的新技術(shù)也將成為高算力場(chǎng)景下合適的解決方案。根據(jù) IDC 預(yù)測(cè)，2017-2021 年全球超算市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增長(zhǎng)率為 12.2%。其中，全球和中國(guó) AI 服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模將在 2026 年分別達(dá)到 347.1 億美元和 123.4 億美元，人工智能將成為硅光芯片產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)的強(qiáng)勁動(dòng)力。

圖表 7：2018-2026E 全球、中國(guó) AI 服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模（單位：億美元）。數(shù)據(jù)來(lái)源：IDC、RimeData 來(lái)覓數(shù)據(jù)整理

目前國(guó)內(nèi) 10G 及以下速率中低端光芯片供應(yīng)已較為成熟，25G 國(guó)產(chǎn)化率較低，而未來(lái)需求更大、用于 200/400G 高速光模塊的 50G 及以上光芯片以國(guó)外進(jìn)口為主，國(guó)產(chǎn)化率極低。隨著人工智能、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，硅光芯片存在巨大的國(guó)產(chǎn)替代空間，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)在資本、政策、市場(chǎng)的支持下也將迎來(lái)飛速增長(zhǎng)。