臺積電押注硅光芯片，預(yù)計2025年進(jìn)入大批量生產(chǎn)

  ICC訊 據(jù)報道，臺積電已經(jīng)組建一支約200人的研發(fā)團(tuán)隊，專注于推進(jìn)硅光子技術(shù)和應(yīng)用。據(jù)稱，臺積電還在與博通和英偉達(dá)等大客戶進(jìn)行談判，共同開發(fā)以該技術(shù)為中心的應(yīng)用。相關(guān)制程技術(shù)覆蓋45nm至7nm，預(yù)計相關(guān)產(chǎn)品最早于2024年下半年獲得訂單，2025年將進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段。

  什么是硅光子技術(shù)

  硅光子技術(shù)用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù)，是一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)。英特爾實驗室通過混合硅激光器技術(shù)的集成激光器，首次實現(xiàn)了基于硅光子的數(shù)據(jù)連接。

  硅光子技術(shù)利用標(biāo)準(zhǔn)硅實現(xiàn)計算機(jī)和其它電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。與晶體管主要依賴于普通硅材料不同，硅光子技術(shù)采用的基礎(chǔ)材料是玻璃。由于玻璃對于光來說是透明的，不會發(fā)生干擾現(xiàn)象，因此理論上可以通過在玻璃中集成光波導(dǎo)通路來傳輸信號，很適合于計算機(jī)內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。硅光子技術(shù)最大的優(yōu)勢在于擁有相當(dāng)高的傳輸速率，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高。

  激光傳輸一般包括兩個終端站和一個中繼站，由光纖作為線路。每個終端站都有一個光端機(jī)，其中發(fā)送設(shè)備的功能主要是產(chǎn)生激光，把電信號變換成為光信號，即電/光轉(zhuǎn)換。接收設(shè)備主要是光檢測和放大，把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，即光/電轉(zhuǎn)換。中繼站則把接收的光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過判決再生處理，又把電信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)送出去。

  其實，硅光子技術(shù)誕生已久。早在1969年，美國的貝爾實驗室的S.E.Miller首次提出了集成光學(xué)的概念，但是由于InP波導(dǎo)的高損耗和工藝落后難以實現(xiàn)大規(guī)模集成，這一技術(shù)在當(dāng)時未能掀起波瀾。

  21世紀(jì)初，以英特爾和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)開始重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路，以延續(xù)摩爾定律。

  2006年，英特爾和加州大學(xué)圣芭芭拉分校成功研發(fā)出世界上首款采用標(biāo)準(zhǔn)硅工藝制造的電子混合硅激光器。2008年，英特爾推出“雪崩硅激光探測器”，它一舉將硅光子技術(shù)的增益帶寬積提升到340GHz。2010年，英特爾開發(fā)出首個50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

  隨后，歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領(lǐng)域布局最全面的公司。

  硅光子能解決AI能效和算力問題

  硅光芯片是一種利用硅基材料和工藝，將光電子器件集成在同一芯片上的新型集成電路。硅光芯片主要由調(diào)制器、探測器、無源波導(dǎo)器件等組成，它可以將多種光器件集成在同一硅基襯底上，實現(xiàn)光信號的產(chǎn)生、傳輸、控制和檢測等功能。

  硅光芯片是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術(shù)，能夠大大提高集成芯片的性能，是大數(shù)據(jù)、人工智能、未來移動通信等新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)性支撐技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)中心、5G、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)。

  此前，硅光子技術(shù)并沒有受到過多重視，其中一個原因是導(dǎo)入過程中面臨的工藝難度和成本考量。另外芯片行業(yè)之前并沒有那么迫切的需要更高效率的芯片連和高算力、高帶寬。如今，以大模型和生成式AI為代表，AI已經(jīng)席卷整個科技界，而AI掀起技術(shù)狂潮實際上也帶來了諸多的挑戰(zhàn)，尤其是在半導(dǎo)體技術(shù)上，而硅光子技術(shù)卻能解決這些難題。

  硅光子技術(shù)可以將電換成傳輸速度更快的光，實現(xiàn)更快的傳輸速率、更遠(yuǎn)的傳輸距離以及更低的功耗和延遲。理論上，當(dāng)我們將光學(xué)接口與CPU和GPU封裝在一起，能夠有效擴(kuò)展GPU間的帶寬，同時節(jié)省能耗和面積，真正將數(shù)百臺服務(wù)器作為一個巨型的GPU。

  臺積電系統(tǒng)集成探路副總裁余振華此前表示：“如果我們能夠提供良好的硅光子整合系統(tǒng)，我們就可以解決AI的能源效率和計算能力的關(guān)鍵問題。這將是一個新的范式轉(zhuǎn)變，我們可能處于一個新時代的開端?！彼f：“一個更好、更集成的硅光子系統(tǒng)是運行大型語言模型和其他人工智能計算應(yīng)用程序所需的強大計算能力的驅(qū)動力?！?

  小結(jié)

  近些年人工智能，尤其是大語言模型的發(fā)展，對芯片提出了更高的要求。硅光子技術(shù)憑借高傳輸速率、高能效比、超低延遲等諸多優(yōu)勢，成為業(yè)界關(guān)注的重點。雖然目前而言，硅光芯片在設(shè)計、制造上仍存在一些挑戰(zhàn)，然而其在解決AI算力瓶頸上的突出優(yōu)勢，仍然吸引著眾多大廠潛心研究。