AI热潮激发硅光技术“芯”应用

集微网报道 （文/陈炳欣）生成式AI、大模型成为新一轮科技产业发展的智能底座，由此引发的庞大算力需求极大带动了硅光芯片等相关技术的进一步发展。据报道，此前台积电组建了一支大约200人的研发团队，积极推进硅光子技术，并与博通和英伟达等大客户谈判，共同开发相关技术应用；另一芯片巨头英特尔也致力于发展硅光芯片技术。SEMI预测，2030年全球硅光子学半导体市场规模将达78.6亿美元。受生成式AI等市场的驱动，硅光芯片正展现出广阔的发展前景。

高带宽传输价值凸显

硅光芯片是一种基于硅晶圆开发出的光子集成芯片，它利用硅光材料和器件通过特殊工艺制造集成光路，具有集成度高、成本低、传输带宽高等特点。早在1969年，硅光技术便由贝尔实验室提出。谷歌在2015年宣布成功研发出硅光芯片，并展示了其高速数据传输和处理的能力。可在随后的几年里，谷歌并未公开宣布任何关于硅光芯片技术的实质性进展。

但随着近年AI技术快速发展，带来数据处理和传输需求急速增长，硅光芯片技术体现出其在实现高效、快速、低成本处理和传输大量数据方面的价值。台积电系统集成电路副总裁余振华表示：“如果我们能够提供良好的硅光子整合系统……我们就可以解决AI的功耗和计算能力的关键问题。这将是一个新的范式转变。我们可能正处于一个新时代的开端。”余振华指出，一个更好、更集成的硅光子系统是运行大型语言模型（支撑ChatGPT和Bard等聊天机器人的技术）和其他人工智能计算应用程序所需的强大计算能力的驱动力。

消息称，台积电将在2025年大规模量产硅光芯片，重点布局数据中心应用。台积电此前已推出COUPE（紧凑型通用光子引擎）封装技术，可以降低芯片功耗、提升带宽，其也在合作开发下一代硅光子芯片，相关制程技术涵盖45nm至7nm，预计最快将于2024年下半年迎来大单。

英特尔也在致力于发展硅光芯片技术。例如，英特尔提出的光电共封装解决方案使用了DWDM（密集波分复用）技术，能够在增加光子芯片带宽的同时缩小尺寸。英特尔还提出可插拔式光电共封装方案，该方案是利用光互连技术，让芯片间的带宽达到更高水平。同时，英特尔还在研发八波长分布式反馈激光器阵列，以提升大型CMOS晶圆厂激光器制造能力，实现光互连芯粒技术。

光传输、光传感应用前景广阔

硅光技术之所以开始受到业界广泛重视，与其在数据中心、高性能计算（HPC）、人工智能和机器学习、激光雷达等领域所展现出巨大的应用潜力息息相关。其中，数据中心光通信又是当前硅光最大的应用市场。根据北京大学电子学院研究员、博士生导师常林的介绍，在过去大约10年间，受互联网大数据、高性能计算驱动，数据中心光模块的传输带宽基本保持了每两年翻一番的更新速度，特别是今年以来AI大模型热潮爆发，对数据中心的传输带宽速度提出更高的要求。这使数据中心光模块成为硅光技术最主要的一个应用场景。

据了解，在目前的数据中心场景下，云提供商如Facebook、腾讯等正转向大规模数据中心，通信速率正由100G、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代，而且迭代周期持续缩短。微软内部数据中心互连有超过40%是基于硅光芯片实现。

更进一步地，硅光技术还可以应用于处理器内核之间，大幅改善内核间的数据传输速率，以及传输功耗。速率提升甚至可达100倍乃至更高。在芯片技术的发展过程中，芯片互连是目前的技术瓶颈之一。随着芯片制程的逐步缩小，互连线引起的各种效应成为影响芯片性能的重要因素。当芯片越做越小时，互联线也需要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的寄生效应也会越来越影响电路性能。常见的互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管等，这些材质的互联线都会遇到物理极限，如果通过光进行互连则没有这方面的问题。因此，当摩尔定律正在逐渐走向尽头之际，硅光技术凭借高传输速率、高能效比、超低延迟方面的优势，开辟出一条新的赛道。

除去在通信方面的应用之外，硅光技术在光传感领域也有着巨大的发展潜力。常林表示，传统的激光雷达最大的问题在于体积与成本。这也限制了它在汽车等行业的使用。通过硅光技术可以把激光雷达系统做到芯片级别，在大幅缩小体积的同时，还可以降低成本至几千元以下。这使得面向自动驾驶的激光雷达，成为硅光芯片技术的另一个重要增长点。此前，北京大学电子学院王兴军教授课题组-常林研究员课题组研制出硅基片上多通道混沌光源，提出了一种基于混沌光梳的并行激光雷达架构。该项技术在攻克激光雷达抗干扰和高精度并行探测这两个世界性难题，保证高性能高安全的同时，还极大降低未来激光雷达系统体积、复杂度、功耗和成本，对于推动硅光技术在光传感领域的应用有极大的促进。

产学研协同推进中国硅光发展

中国在硅光技术方面的研究起步较晚，真正开始大规模研究是在2010年左右。但随着近年来在人才与资金上的大量投入，与国外厂商的差距正在逐步缩小。集微咨询认为，中国硅光产业发展机遇难得。中国拥有全球最大的光通信市场，但国产光通信器件占比较低，光模块芯片的国产化备受关注。目前，中国光模块公司正通过并购/自研加快布局上游芯片领域，提高自给率。

华为、阿里等公司目前都在积极推进硅光芯片的研究开发。据了解，在今年的“达摩院青橙奖”的入围名单中就包含了硅光芯片的研究项目。青橙奖由阿里公益、阿里达摩院于2018年发起，主要面向不超过35岁的年轻学者。过去5年已支持50多位顶尖青年学者，每人获得了自由支配的100万奖金和达摩院的科研支持。

对此，常林指出，推进硅光技术的研发与产业化进程，需要产学研应等多方面力量的相互配合，特别是当一项技术开发进入到相对成熟阶段之后，更加需要与产业相结合，需要社会资本的大力推动，才能把技术进一步推向更广阔的层面，在市场上进行检验。目前，硅光芯片的产业化进程正在展开。然而，与集成电路的加工依赖于高精度制程不同，光子芯片加工的核心是各种不同的功能材料的集成。开发人员如何在芯片上实现多材料集成，从而支撑应用，都是需要进一步探索的方向。这些工作都需要应用端的牵引，只有在应用的过程中，开发人员才能找到真正的需求点，了解器件性能的改进方向。