光芯片步入“黃金時代”

  ICC訊  曾在與電子芯片競爭中落后的光子芯片，正在崛起。

  近段時間以來，英特爾和英偉達投資Ayar Labs，華為入股微源光子及長光華芯，格芯推出新硅光子技術，新思科技成立OpenLight公司等等，頭部大廠一系列舉動都正在將行業(yè)目光聚焦到“光芯片”賽道。

  隨著5G、AIoT、云計算等各項應用的逐步落地，對數(shù)據傳輸提出了更高的要求。與此同時，數(shù)據中心光電轉換必需的器件——光模塊迎來了爆發(fā)式增長。有數(shù)據統(tǒng)計，在多平面網絡架構下的，新一代數(shù)據中心對光模塊的需求量增加了65倍。

  LightCounting的預測顯示，全球光模塊的市場規(guī)模將在未來5年以CAGR 14%保持增長，預計2026年達到176億美元。

  全球光模塊細分市場規(guī)模及預測

  (圖源：LightCounting)

  其中，光芯片的性能直接決定光模塊的傳輸速率，是產業(yè)鏈核心之一。以光通信產業(yè)鏈為例，光芯片位于整個產業(yè)鏈的頂端，占據光模塊成本的50%以上，是整個光通訊產業(yè)鏈條中技術最復雜、價值最高的環(huán)節(jié)。

  光通信產業(yè)鏈

  光芯片迎來發(fā)展機遇

  半個世紀以來，微電子技術大致遵循著“摩爾定律”快速發(fā)展，隨著信息技術的不斷拓寬和深入，芯片的工藝制程已減小到?5nm?以下，但由此帶來的串擾、發(fā)熱和高功耗問題愈發(fā)成為微電子技術難以解決的瓶頸。

  同時，在現(xiàn)有馮諾依曼計算系統(tǒng)采用存儲和運算分離的架構下，存在“存儲墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴重制約系統(tǒng)算力和能效的提升。此外，處理器與內存之間、處理器與處理器之間信息交互的速度嚴重滯后于處理器計算速度，訪存與I/O瓶頸導致處理器計算性能有時只能發(fā)揮出10%，這對計算發(fā)展形成了極大制約。

  電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，繼續(xù)在電子計算技術范式上尋求突破口步履維艱。在面向“后摩爾時代”的潛在顛覆性技術里，光芯片已進入人們的視野。

  光芯片，一般是由化合物半導體材料(InP和GaAs等)所制造，通過內部能級躍遷過程伴隨的光子的產生和吸收，進而實現(xiàn)光電信號的相互轉換。

  微電子芯片采用電流信號來作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術，光芯片展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲、以及更強的抗電磁干擾能力。

  此外，光互聯(lián)還可以通過使用多種復用方式(例如波分復用WDM、模分互用MDM等)來提高傳輸媒質內的通信容量。因此，建立在集成光路基礎上的片上光互聯(lián)被認為是一種極具潛力的技術，能夠有效突破傳統(tǒng)集成電路物理極限上的瓶頸。

  光子芯片展望

  回顧光芯片發(fā)展歷程，早在1969年美國的貝爾實驗室就已經提出了集成光學的概念。但因技術和商用化方面的原因，直到21世紀初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學術機構才開始重點發(fā)展硅芯片光學信號傳輸技術，期望能用光通路取代芯片之間的數(shù)據電路。

  近年來隨著技術的發(fā)展，包括硅、氮化硅、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用于研發(fā)單片集成或混合集成的光子芯片。

  在過去數(shù)年里，光子集成技術的發(fā)展已經取得了許多進展和突破。

  據了解，目前純光子器件已能作為獨立的功能模塊使用，但是，由于光子本身難以靈活控制光路開關，也不能作為類似微電子器件的存儲單元，純光子器件自身難以實現(xiàn)完整的信息處理功能，依然需借助電子器件實現(xiàn)。因此，完美意義上的純“光子芯片”仍處于概念階段，尚未形成可實用的系統(tǒng)。嚴格意義上講，當前的“光子芯片”應該是指集成了光子器件或光子功能單元的光電融合芯片，仍存在無法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調制器等問題。

  光子集成電路雖然目前仍處于初級發(fā)展階段，不過其成為光器件的主流發(fā)展趨勢已成必然。光子芯片需要與成熟的電子芯片技術融合，運用電子芯片先進的制造工藝及模塊化技術，結合光子和電子優(yōu)勢的硅光技術將是未來的主流形態(tài)。

  硅基光電子集成芯片概念圖

  高速數(shù)據處理和傳輸構成了現(xiàn)代計算系統(tǒng)的兩大支柱，而光芯片將信息和傳輸和計算提供一個重要的連接平臺，可以大幅降低信息連接所需的成本、復雜性和功率損耗。隨著光芯片技術的發(fā)展迭代，大型云計算廠商和一些企業(yè)客戶的需求都在從100G過渡到400G，400GbE的數(shù)據通信模塊出貨量翻了一倍，在2021年達到創(chuàng)紀錄的水平。

  由此可見，光器件行業(yè)整個產業(yè)鏈都在持續(xù)向滿足更高速率、更低功耗、更低成本等方向演進升級，800G及更高速率產品也逐漸開始使用，不同細分領域都面臨新技術的迭代和升級。

  迄今為止，硅光子商業(yè)化較為成熟的領域主要在于數(shù)據中心、高性能數(shù)據交換、長距離互聯(lián)、5G基礎設施等光連接領域，800G及以后硅光模塊性價比較為突出。此外，Yole認為未來幾年內增長最快的將是汽車激光雷達、消費者健康和光子計算領域的應用。

  光芯片賽道“高手云集”

  光芯片的廣闊市場前景自然吸引了眾多廠商“搶食”。

  從市場格局來看，美國是硅光子領域起步最早也是發(fā)展最好的國家，1991年美國便成立了“美國光電子產業(yè)振興會”，以引導資本和各方力量進入光電子領域。2014年，美國又建立了“國家光子計劃”產業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學與光子基礎研究與早期應用研究計劃開發(fā)。

  歐洲和日本也在跟進，中國大概在2010年以后開始入局光芯片賽道。另外，新加坡的IME也是較早建立硅光子工藝的平臺之一，為行業(yè)的發(fā)展作出了不小的貢獻。

  從當前產業(yè)鏈進展看，全球光芯片產業(yè)鏈已經逐漸成熟，從基礎研發(fā)到制造工藝再到商業(yè)應用的各個環(huán)節(jié)均有代表性企業(yè)。其中以英特爾、思科、英偉達、格芯等為代表的企業(yè)占據了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業(yè)內領頭羊。

  英特爾：光芯片賽道“領頭羊”

  雖然是貝爾實驗室提出的光芯片技術的概念，但將其發(fā)揚光大的卻是英特爾。

  英特爾從20多年前就開始進行硅光子學研究，直到2016年才將其第一批硅光子光學收發(fā)器投入使用，標志著光子集成真正進入到主流應用領域。

  英特爾第一個產品是100G PSM4 QSFP，在并行單模光纖上具有2公里的距離，并且在發(fā)射器芯片上具有磷化銦層，實現(xiàn)了四個混合激光器和用于將電信號轉換為光的調制器和光電檢測器以將光轉換為電信號。該方案通過提供快速、可靠和經濟高效的連接能力而提供巨大的價值。

  2017年下半年英特爾開始大批量供應100G產品;2018年英特爾將其100G硅光收發(fā)器產品組合擴展到數(shù)據中心之外進入網絡邊緣，公布了為加速新的5G應用場景和物聯(lián)網應用產生的大量數(shù)據轉移而優(yōu)化的新硅光產品;同年，英特爾還展示出了其400G硅光能力;2020年英特爾開始開發(fā)其200G FR4和400G DR4光學收發(fā)器...

  據知乎博主“溜達兔”介紹，從2016年英特爾將其硅光子產品“100G PSM4”投入商用起，截止目前，英特爾已經為客戶提供了超過400萬個100G的硅光子產品。而在2020年的英特爾研究院開放日活動上，英特爾又提出了“集成光電”愿景，即將光互連I/O直接集成到服務器和封裝中，對數(shù)據中心進行革新，實現(xiàn)1000倍提升，同時降低成本。

  在高速網絡交換芯片市場，英特爾正在力推Tofino方案，其中包括了自研的硅光子技術和高級封裝技術，即光電共封技術(co-packaged，CPO)。

  光電共封就是把將光芯片和電芯片(交換芯片)焊接在同一個基板上，芯片之間采用光連接，對于高速芯片來說，可以解決功耗，散熱，和端口密度等問題。英特爾為可編程以太網交換機芯片技術而收購Barefoot時，顯然也是考慮到了光電共封CPO技術。

  目前，英特爾已經能做到在CMOS芯片緊密集成的單一技術平臺上，將多波長激光器、半導體光學放大器、全硅光電檢測器以及微型環(huán)調制器集成到一起，目前已經實現(xiàn)集成光子器件模塊芯片的量產應用。

  在今年OFC會議上，英特爾展示了其可靠的InP激光器、240Gbps的微環(huán)調制器及其控制電路。在這些核心IP的基礎上，英特爾演示了800G的硅光發(fā)送器，并展示了其在CPO與Optical I/O的布局，三個方向都在穩(wěn)步向前推進。

  英特爾800G硅光模塊示意圖

  綜合來看，英特爾在硅光產品線的整體布局如下圖所示，包括Transceiver, CPO和Opitcal I/O，其帶寬與能效比也是逐步提升。

  相對于其他采用代工廠的品牌來說，英特爾的優(yōu)勢還在于其一直走的都是一體化IDM模式，按照英特爾的說法，“英特爾是唯一一家在軟件、硅和平臺、封裝和工藝方面具有深度和廣度的公司?！?

  此外，對高塔半導體(Tower Semiconductor)的收購又填補了英特爾在光子芯片領域的技術實力。今年1月份，高塔半導體聯(lián)合網絡通訊設備公司瞻博網絡(Juniper Networks)推出硅光子代工工藝，可將III-V族激光器、半導體光放大器(SOA)、電吸收調制器(EAM)和光電探測器與硅光子器件共同集成在一顆單芯片上，構成尺寸更小、具有更多通道數(shù)且更節(jié)能的光學架構和解決方案。

  憑借英特爾在硅光子工藝和封裝技術領域的積累，未來或將會成為該領域的有力競爭者。

  Ayar Labs：光芯片賽道明星初創(chuàng)公司

  除了自研之外，英特爾還在持續(xù)入股相關公司。近期投資了光芯片行業(yè)明星初創(chuàng)企業(yè)Ayar Labs。

  據介紹，Ayar Labs的光學I/O解決方案消除了與系統(tǒng)帶寬、功耗、延遲和范圍相關的瓶頸，顯著改進了現(xiàn)有系統(tǒng)架構，并為人工智能、高性能計算、云、電信、航空航天和遙感應用。據透露，Ayar Labs已經批量出貨了第一批產品，預計到今年年底將出貨數(shù)千個封裝內的光學互連芯片。

  Ayar Labs的專利技術采用行業(yè)標準的硅加工工藝，開發(fā)了高速、高密度、低功耗的光互連芯片和激光器，以取代傳統(tǒng)的電學I/O互連。Ayar Labs的高度差異化技術對于支持未來的高性能計算架構至關重要。

  此外，為Ayar打開錢包的還有英偉達、惠普、應用材料以及芯片制造商格芯等科技公司和十幾家投資公司的支持，Ayar與格芯攜手開發(fā)了許多關鍵封裝技術，其中包括銅柱技術和V型槽光纖連接技術等。

  博通：CPO技術競爭愈發(fā)激烈

  博通(Broadcom)是全球領先的有線和無線通信半導體公司，也是VCSEL芯片的主要供應商之一。在光學數(shù)據通訊市場產品供應豐富，包括光纖接收器、嵌入式光學模組以及自適應光纜等。

  博通去年初發(fā)布了兩款支持光電共封(Co-Packaged Optics簡稱CPO)技術的下一代交換ASIC芯片概念，首款25.6Tb Humboldt芯片預計在2022年年底推出，51.2Tbps芯片Bailly則將于2023年后發(fā)布。博通同時宣布計劃推出基于硅光技術的支持與DSP合封的800G DR8 可插拔光模塊，以及下一步與CPU和GPU共封的計劃。

  可以看到，在頂級高端交換芯片領域的光電共封CPO技術的競爭將越來越激烈。

  思科：收購入局

  思科于2012年、2019年收購Lightwire、Luxtera(硅光市占率35%)及Acacia公司，快速布局硅光領域，成為了收發(fā)器、交換機和通用共同封裝光學器件硅光子學領域的領導者。

  目前思科使用臺積電來滿足他們的一些光子學需求，思科還與英特爾、格芯在制造方面建立了合作伙伴關系。

  Lightwire在CMOS纖維光學和封裝設計方面擁有專業(yè)優(yōu)勢，通過將多種高速主動和被動光纖功能整合到一小塊硅基片上的方式在光纖互聯(lián)領域取得一些創(chuàng)新成果;

  Luxtera曾研發(fā)世界第一款CMOS光子器件，為最早推出商用級硅光集成產品的廠商之一，2015年發(fā)布100G PSM4硅光子芯片;

  Acacia 400G硅光模塊方案主要是將分離光器件集成為硅光芯片的基礎上再與自研DSP電芯片互聯(lián)，最終外接激光器進行封裝，已于2020年開始送樣給客戶。

  英偉達：以光器件破局

  由于收購了Mellanox，英偉達成為了頂級網絡供應商。此外，英偉達還收購了一些光子學公司，包括瑞典的OptiGOT，同時還為Infiniband網絡中使用的光子收發(fā)器進行了一些設計。英偉達擁有用于交換機的完整IP陣列，由于其作為AI訓練和加速計算的領先公司，他們遇到了與計算應用程序相關的最難的I/O功率擴展問題。

  由于新的人工智能模型在參數(shù)數(shù)量上的爆炸式增長，英偉達在性能和功率方面陷入了困境，需要共同封裝的光學器件才能繼續(xù)在AI中擴展。

  英偉達之前曾提出過與共封裝光子學相關的研究，直到2019年英偉達宣布以69億美元的價格收購光纖互連領軍者Mellanox。于Mellanox在2013年收購Kotura時所獲得的技術，此次交易將為英偉達帶來硅光子產品組合，使數(shù)據處理和互連構成同一解決方案的組成部分。

  格芯：光子技術代工“佼佼者”

  在工藝方面，格芯(GlobalFoundries)是硅光子技術方面的投入程度可能是幾家主流代工廠中最積極的。

  格芯從數(shù)年前就開始積極布局，目前能提供先進的硅光子工藝平臺，包括各種光波導、相移器、極化器、光二極管等等，除了硅光子工藝之外，格芯還提供高級封裝選項，幫助客戶實現(xiàn)CPO技術。

  前不久，格芯推出新一代硅光子平臺Fotonix，實現(xiàn)了多項復雜工藝整合至單個芯片的功能，把光子系統(tǒng)、射頻組件和CMOS集成到同一塊芯片上。格芯將300mm光子學特性和300Ghz級別的RF-CMOS工藝集成到硅片上的平臺，可以提供一流、大規(guī)模的性能。

  據公布資料顯示，目前其Fotonix平臺的客戶包括Broadcom、Marvell、Nvidia、Synopsys、Cisco等硅光子領域的重要廠商，以及 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 等光子技術廠商，未來前景大有可觀。

  GF Fotonix 解決方案將在格芯位于紐約州馬耳他的先進制造廠中生產，為客戶提供參考設計套件、MPW、測試、晶圓廠前端和后端服務、交鑰匙和半導體制造服務，幫助客戶更快地將產品推向市場。格芯允許客戶在芯片上封裝更多產品功能并“簡化他們的材料清單”，GF Fotonix 也支持各種芯片封裝解決方案，包括用于更大光纖陣列的無源附件、2.5D 封裝和片上激光器。

  格芯是目前唯一能提供 300mm 單芯片硅光解決方案的純晶圓代工廠，該解決方案展示了出色的單位光纖數(shù)據傳輸速率(0.5Tbps/光纖)。這樣可以構建 1.6-3.2Tbps 的光學小芯片，從而提供更快速高效的數(shù)據傳輸，并帶來更好的信號完整性。此外，由于系統(tǒng)誤碼率降低到了萬分之一，它還能夠支持下一代人工智能。

  Ayar Labs 首席執(zhí)行官 Charles Wuischpard 也指出，在創(chuàng)立早期就已經與格芯在 GF Fotonix 開發(fā)方面展開合作，從集成 PDK 和工藝優(yōu)化，到展示第一顆可以工作芯片，Ayar Labs 的單芯片電子/光子解決方案與 GF Fotonix 相結合，打開了芯片之間的光學 I/O 市場的巨大的機遇，為年底之前批量生產做好了準備。

  除了格芯外，高塔半導體推出了PH18DA制造工藝，能夠降低成本，提高功率效率，并簡化封裝;臺積電也推出了用于硅光子芯片的先進封裝技術——COUPE(緊湊型通用光子引擎)異構集成技術。但相比起定位于全球領先的硅光子代工廠的格芯和擁有自己硅光代工平臺的英特爾，其它代工廠商的布局仍稍顯不足。

  新思科技：生態(tài)系統(tǒng)的“加速器”

  由于涉及大量復雜的混合信號，光子代工過程非常困難，驗證設計的工作原理也非常困難。Synopsys、Cadence和Ansys等廠商與制造廠合作進行PDK開發(fā)和仿真是創(chuàng)建強大的設計生態(tài)系統(tǒng)的關鍵。

  以新思科技(Synopsys)為例，其光電統(tǒng)一的芯片設計解決方案 OptoCompiler 可助力開發(fā)者更好地在 硅光平臺上進行創(chuàng)新，可為光子芯片提供完整的端到端設計、驗證和簽核解決方案。OptoCompiler 將成熟的專用光子技術與業(yè)界領先的仿真和物理驗證工具相結合，開發(fā)者能夠對復雜的光子芯片進行快速、準確的設計和驗證。

  近期，新思科技與瞻博網絡聯(lián)合成立了面向硅光子市場的 OpenLight 公司，旨在加速高性能光子集成電路的開發(fā)，OpenLight將其激光集成作為其技術的一個關鍵優(yōu)勢，希望能夠吸引那些希望為硅光子應用生產芯片的客戶。

  OpenLight技術已通過Tower Semiconductor的PH18DA制造工藝的資格和可靠性測試，通過將用于半導體激光器的磷化銦材料直接加工到硅光子芯片上。

  中國光芯片產業(yè)的進展與出路

  反觀國內市場，近些年在下游需求大幅擴張的帶動下，國內廠商通過技術研發(fā)、對外收購等多種方式嘗試打造中國的光芯片產業(yè)。

  工信部2017年底發(fā)布的《中國光電子器件產業(yè)技術發(fā)展路線圖(2018—2022年)》指出，目前高速率光芯片國產化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產化率超過60%，高端光電子芯片國產化率突破20%。

  資料來源：中國光電子器件產業(yè)技術發(fā)展路線圖(2018-2022年)

  從上圖可以看到，國產高端光芯片的缺失給行業(yè)帶來了巨大發(fā)展機會。在政策支持下，我國光芯片行業(yè)發(fā)展迅速。尤其近年來，國際局勢不穩(wěn)，國外斷供國內芯片的事件頻頻發(fā)生，國產替代也便成為了近年國內半導體業(yè)界的熱門話題，依靠國內部分光芯片龍頭企業(yè)的不斷發(fā)力，在50G/400G等PAM4光模塊產品已經實現(xiàn)了較大突破，已先后推出了50G QSFP28 PAM4 LR、400G QSFP-DDSR8等產品，后續(xù)50G QSFP28 BIDI/ER以及400G QSFP-DD DR4/FR4也將陸續(xù)發(fā)布。

  據不完全統(tǒng)計，目前本土光芯片/光模塊廠商主要有：芯思杰、瑞識科技、新亮智能、度亙激光、長瑞光電、立芯光電、源杰半導體、銳晶激光、索爾思光電、長光華芯、華工科技、光迅科技、新易盛、云嶺光電、敏芯半導體、博創(chuàng)科技、中際旭創(chuàng)、縱慧芯光、曦智科技、劍橋科技、凌越光電、盛為芯等企業(yè)。

  此外，國內通信龍頭企業(yè)華為也在積極布局光芯片賽道。

  據投資界信息，2012年，華為收購英國集成光子研究中心CIP Technologies，開啟了光芯片領域的探索;次年，華為又出手收購一家比利時硅光技術開發(fā)商Caliopa，完善自身在光芯片領域的技術實力。

  而后自2019年下半年開始，華為再次集中投資光電芯片企業(yè)，一度掀起國內光芯片投資熱潮。今年3月，華為又投了另一家光電芯片企業(yè)——縱慧芯光。據不完全統(tǒng)計，截至目前，華為投資布局版圖涉及十余家光芯片產業(yè)鏈相關企業(yè)。

  2020年2月，華為還在倫敦發(fā)布了800G可調超高速光模塊。據介紹，該產品支持200G-800G速率靈活調節(jié);單纖容量達到48T，對比業(yè)界方案高出40%;基于華為信道匹配算法，傳輸距離相比業(yè)界提升20%。這款產品被應用在全系列的華為OptiXtrans光傳送產品中，是華為光網絡頂級競爭力的重要組成部分。

  去年4月，華為還公布了一項關于光學芯片的專利，名為“耦合光的光學芯片及制造方法”，專利中不僅提供了一種用于在光學芯片與另一光學器件之間耦合光的光學芯片，同時還提供了制造這種光學芯片的方法，甚至還包含了對晶圓的切割、蝕刻。

  一系列動作也能看到華為在光芯片賽道的專注與堅持。換句話說，華為確信光芯片是未來數(shù)據傳輸?shù)募夹g之光。

  雖然國產廠商進入該領域較晚，市場份額相對較小。但是通過近年來在技術上的快速追趕，國內已經掌握光芯片核心技術的廠商隊伍不斷壯大，與國外廠商在技術上的差距已經是越來越小。

  據維科網產業(yè)研究中心的統(tǒng)計，過去八年間，國內光芯片市場規(guī)模已經從8億美元攀升至20.8億美元，年均復合增長率約17.3%。同時，根據我國在5G、數(shù)據中心、“西數(shù)東算”、“雙千兆”網絡的規(guī)劃，預計2022年國內光芯片市場規(guī)模有望進一步擴大至24億美元。

  對我國而言，既要在傳統(tǒng)賽道電子芯片領域盡快補短板，也要盡早在光子芯片等新賽道布局發(fā)力。雙管齊下，努力抓住新一輪科技革命和產業(yè)變革的機遇。

  寫在最后

  光芯片，已成為當前業(yè)內關注的焦點，也是創(chuàng)投圈最吸金的賽道之一。

  隨著摩爾定律腳步的放緩，探索新的技術已經成為目前半導體領域的關鍵任務。將光子和集成電路的電子結合在一起，甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”，以實現(xiàn)對現(xiàn)有光模塊產業(yè)鏈的重塑，正成為半導體行業(yè)數(shù)個“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一。

  正如陜西光電子先導院執(zhí)行院長米磊所言：“迎著智能化曙光，未來將掀起光子技術產業(yè)的革命，類似于從電子工業(yè)的晶體管邁入集成電路時代的技術革命，集成光路將是半導體領域60年一遇的“換道超車”的重要機遇。”

  本文轉載自：半導體行業(yè)觀察 作者：李晨光