三十年沉浮，曙光已現(xiàn)，硅光技術(shù)的發(fā)展與思考

  ICC訊 硅光的概念早在20世紀(jì)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(guī)?；瘧?yīng)用，其在誕生之后的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。究其核心原因，在于尚沒有巨大的應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)于信息獲取與處理效率的需求持續(xù)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(shì)，成為確定性的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

  核心觀點(diǎn)：

  目前，硅光產(chǎn)業(yè)正處于前期擴(kuò)張階段，在光通信尤其是數(shù)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(jì)算等新興應(yīng)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(yīng)用;

  硅光工藝領(lǐng)域，光電封裝或?qū)⑹前l(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(chǔ)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(yīng)用側(cè)的拉動(dòng)，更需要底層生態(tài)的建設(shè)，尤其是工藝平臺(tái)的建設(shè)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件(包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測(cè)器、光波導(dǎo)器件等)，并利用這些器件對(duì)光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測(cè)和處理，以實(shí)現(xiàn)其在光通信、光傳感、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。如20世紀(jì)70年代的微電子技術(shù)一般，硅光產(chǎn)業(yè)正處于前期擴(kuò)張階段，未來(lái)更是有望成為媲美集成電路龐大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，拉動(dòng)萬(wàn)億市場(chǎng)。正因如此，諸如Intel、IBM、Oracle、中興通訊等著名的半導(dǎo)體企業(yè)和信息技術(shù)企業(yè)，正投入大量的人力和財(cái)力推進(jìn)硅光的產(chǎn)業(yè)化。這其中的標(biāo)志性事件，便是注重規(guī)模效應(yīng)的晶圓代工公司GlobalFoundries(格羅方德，業(yè)內(nèi)簡(jiǎn)稱“格芯”)于今年3月份推出了硅光子平臺(tái)Fotonix，以此布局90WG和45CLO工藝節(jié)點(diǎn)以及封裝工藝，平臺(tái)合作伙伴包括4家頂級(jí)光子收發(fā)器供應(yīng)商中的3家、5家頂級(jí)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(qū)動(dòng)之下，近幾年硅光產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，根據(jù)知名半導(dǎo)體分析機(jī)構(gòu)Yole的預(yù)測(cè)，硅光市場(chǎng)將從2020年的約0.87億美元增長(zhǎng)到2025年的約11億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)49%。目前，硅光在光通信尤其是數(shù)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(jì)算等新興應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是光傳感領(lǐng)域的可穿戴健康監(jiān)測(cè)芯片，隨著健康監(jiān)測(cè)版本Apple Watch的發(fā)布，硅光將陸續(xù)打開市場(chǎng)局面并保持高速增長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)來(lái)源：Silicon Photonics 2021 rep

  二、硅光的應(yīng)用場(chǎng)景

  光通信領(lǐng)域——硅光芯片的主要應(yīng)用場(chǎng)景。目前，產(chǎn)業(yè)內(nèi)已基本建立了面向數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心光通信是硅光的最大市場(chǎng)，微軟的內(nèi)部數(shù)據(jù)中心互連有超過(guò)40%是基于硅光芯片實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下，CSP和云提供商(諸如Facebook、Apple、騰訊等)正轉(zhuǎn)向大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，Capex支出持續(xù)提升以支持客戶的高帶寬需求，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(xù)縮短。在此背景下，傳統(tǒng)的可插拔光模塊在性價(jià)比及功耗方面已然“捉襟見肘”，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(shì)，則成為更優(yōu)越的選項(xiàng)。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)有顯著增長(zhǎng)，但業(yè)內(nèi)的共識(shí)是通信速率至1.6T階段硅光模塊應(yīng)用將明顯起量。當(dāng)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)的性價(jià)比提升程度。此外，在5G承載網(wǎng)市場(chǎng)中，5G前傳(電信側(cè)光模塊)是硅光技術(shù)的又一市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)，Intel已針對(duì)5G前傳發(fā)布具有擴(kuò)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(nèi)通過(guò)單模光纖實(shí)現(xiàn)10km鏈路。雖然滲透率的節(jié)奏很難有明確判斷，但硅光趨勢(shì)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(gòu)模式布局硅光模塊業(yè)務(wù);國(guó)內(nèi)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)等光模塊廠商陸續(xù)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(guó)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(shù)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(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景眾多且迭代迅速，硅光發(fā)展?jié)摿薮蟆，F(xiàn)階段來(lái)看，面向自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)硅光芯片以及面向消費(fèi)者健康監(jiān)測(cè)及診斷的硅光芯片將是重要增長(zhǎng)點(diǎn)。自動(dòng)駕駛已然是國(guó)際公認(rèn)的未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，而基于激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛方案生態(tài)更為完善，本質(zhì)在于冗余設(shè)計(jì)至關(guān)重要，且激光雷達(dá)可以感知長(zhǎng)尾問(wèn)題，但性價(jià)比與車規(guī)要求限制了激光雷達(dá)的車載應(yīng)用節(jié)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(dá)(LiDAR)，成為了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界皆公認(rèn)的終局方案，市場(chǎng)潛力巨大。正因如此，目前國(guó)內(nèi)的洛微科技、摩爾芯光等基于硅光的激光雷達(dá)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(xiàn)快速高精度核酸檢測(cè)、Aryballe開發(fā)出微型硅光子人造鼻以此識(shí)別氣味“指紋”等等，而目前公認(rèn)最有市場(chǎng)前景的當(dāng)屬可穿戴設(shè)備。

  據(jù)悉，2022年或2023年，Apple與英國(guó)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(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)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，隨著健康監(jiān)測(cè)版本Apple Watch的發(fā)布，用于健康監(jiān)測(cè)的光傳感芯片市場(chǎng)將保持高速增長(zhǎng)。未來(lái)，硅光生物傳感芯片也可廣泛應(yīng)用于低成本、小尺寸的醫(yī)療設(shè)備，并有望在2026年超過(guò)硅光通信的市場(chǎng)規(guī)模。

  隨著摩爾定律的失效，光計(jì)算與硅光概念同時(shí)被關(guān)注。目前電子計(jì)算面臨存算、I/O、功耗三大瓶頸問(wèn)題，逐漸難以滿足超高速、低延遲的海量數(shù)據(jù)處理需求，光計(jì)算基于光子作為玻色子在傳輸方面的天然優(yōu)勢(shì)與多維信息處理優(yōu)勢(shì)，成為下一代計(jì)算范式的理想選擇，而硅光集成則是光計(jì)算商業(yè)化落地的基本前提。目前備受關(guān)注的光計(jì)算細(xì)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(jì)算I/O問(wèn)題，故暫且將其歸于光計(jì)算領(lǐng)域。受限于計(jì)算規(guī)模、計(jì)算精度及算法生態(tài)等方面的限制，光電融合計(jì)算仍是主要計(jì)算方案，但也尚未產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

  短期內(nèi)，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(yīng)用。目前，Intel數(shù)據(jù)中心已采用片間光互連提高計(jì)算效能，NVIDIA也將與Ayar Labs合作將光學(xué)I/O應(yīng)用于AI/HPC架構(gòu)。Ayar Lab是光互連賽道的主要?jiǎng)?chuàng)業(yè)公司，持續(xù)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(jì)已超過(guò)20億美元，投資方包括Intel、NVIDIA、Global Foundries等。據(jù)悉，光計(jì)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(jì)算本質(zhì)也屬于光計(jì)算范疇，但光量子計(jì)算落地周期樂(lè)觀預(yù)計(jì)仍需5~10年左右，短期內(nèi)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(shù)據(jù)來(lái)源：Silicon Photonics 2021 report，Yole

  硅光產(chǎn)業(yè)是大勢(shì)所趨，應(yīng)用場(chǎng)景側(cè)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(chǔ)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(yīng)用側(cè)的拉動(dòng)，更需要底層工藝生態(tài)的建設(shè)。目前硅光產(chǎn)業(yè)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，在于工藝平臺(tái)尚不成熟、硅基有源器件難以實(shí)現(xiàn)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(tái)的建設(shè)至關(guān)重要。以集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史為對(duì)照，其各個(gè)重要里程碑節(jié)點(diǎn)始終伴隨半導(dǎo)體工藝的優(yōu)化發(fā)展。因此，布局硅光工藝平臺(tái)是硅光應(yīng)用持續(xù)滲透的關(guān)鍵。廣義的硅光工藝平臺(tái)包括設(shè)計(jì)工具、加工、封裝等工藝全鏈路。工藝生態(tài)的建設(shè)將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)期目標(biāo)，譬如硅光設(shè)計(jì)工具尚未統(tǒng)一、半導(dǎo)體CMOS工藝無(wú)法支撐大規(guī)模集成、硅光芯片差異化設(shè)計(jì)增加工藝監(jiān)測(cè)與優(yōu)化難度等問(wèn)題，都需要更多資源投入。我國(guó)目前已布局多條工藝與量產(chǎn)產(chǎn)線，主要為中科院微電子所硅光工藝平臺(tái)、中科院微系統(tǒng)所硅光工藝平臺(tái)、重慶聯(lián)合微電子中心，此外商業(yè)化晶圓代工廠譬如燕東、中芯國(guó)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?qū)⑹前l(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(jù)國(guó)外市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)CIR的數(shù)據(jù)，到2027年，共封裝光學(xué)(CPO)市場(chǎng)收入將達(dá)到54億美元?？v觀硅光產(chǎn)業(yè)生態(tài)，從工藝到應(yīng)用，在Intel、Cisco、Juniper等領(lǐng)軍企業(yè)的持續(xù)大力投入之下，硅光全產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相繼形成，已逐漸從學(xué)術(shù)研究驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)需求驅(qū)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(guó)內(nèi)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(shè)計(jì)公司開拓應(yīng)用，以期在硅光賽道構(gòu)建競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)芯片領(lǐng)域的彎道超車。