「創(chuàng)言」合創(chuàng)資本王先根：21世紀硅基光電子的投資機遇與挑戰(zhàn)

  一、后“摩爾定律”時代

  1965年，英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)推測：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。即每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。這個被稱之為“摩爾定律”的法則在過去大半個世紀成功地促進了集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，也加速了人類文明的進步。

  21世紀，萬物互聯(lián)帶來了流量大爆發(fā)的時代，預期全球流量將持續(xù)激增CAGR達30以上，未來五年全球互聯(lián)網(wǎng)流量將增加至少3倍。數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)帶寬和數(shù)據(jù)容量將從“Gbps”時代升級到“Tbps”時代，傳統(tǒng)的集成電路被要求有更大帶寬、更高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力、數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)存儲能力。

  然而，隨著單位面積內集成電路晶體管數(shù)量越來越接近物理極限，單純依靠提高工藝制程來提升集成電路性能變得困難。集成電路的制程已經(jīng)進入5納米甚至是2納米的節(jié)點，再往下做將面臨的綜合瓶頸。復雜制造工藝的引入和系統(tǒng)設計難度的增加等將使集成電路制造成本顯著提升，同時會出現(xiàn)互聯(lián)信號延遲、帶寬受限、功耗上升和性能下降等問題，這被業(yè)界稱之為“后摩爾定律”。

  因此，進入后摩爾定律時代，集成電路的路在何方?業(yè)界專家正在多方面尋找延續(xù)摩爾定律的方法，其中硅基光電子技術被發(fā)現(xiàn)可能是延續(xù)摩爾定律的發(fā)展方向之一。

  二、硅基光電子的那點事

  硅基光電子的核心理念是“光電融合”，即利用硅或與硅工藝兼容的其他材料作為光學介質，跟現(xiàn)有的CMOS工藝兼容，開發(fā)以光電子、電子為載體的功能器件，并將它們在同一襯底上大規(guī)模集成，形成一個完整的具有綜合功能的新型集成電路單元，實現(xiàn)對光子進行發(fā)射、傳輸、探測和處理，可在光通、光互連、光計算和光傳感等領域應用。

  其包括光源、波導、調制器、探測器、有源芯片和無源器件等部分，除此之外，還應包括FAB廠、設計平臺和測試封裝。這里應關注：

  光源。目前主要采用相對成熟的外置光源方案。由于硅材料不直接發(fā)光，需要有其他發(fā)光材料提供光源，通過不同的引入方案實現(xiàn)集成。

  其他的光源解決方案，如bonding技術也有廠家開始應用(INTEL)，但不很成熟。最值得期待的硅基直接外延技術在探索中，離實際商用還有很長的路要走。

  FAB。選擇一個好的FAB廠對做好硅光產(chǎn)品非常關鍵。由于硅光仍在發(fā)展探索階段，F(xiàn)oundry擁有各自的PDK和經(jīng)驗，需要在原理圖設計時就要考慮。全球硅光FAB廠大概的分布如下圖，大多數(shù)都是研發(fā)性質的FAB，真正能提供商用化的硅光FAB不多，國外GlobalFoundries可以作為代表之一。GlobalFoundries通過對IBM微電子業(yè)務的收購，同Ayar Labs和MACOM等企業(yè)伙伴進行合作，其硅光子產(chǎn)品制造已占據(jù)GlobalFoundries全部晶圓代工業(yè)務中的10%。目前國內有三條實驗線，但真實技術水平和能力與國際先進機構相差甚遠，不能滿足國內企業(yè)所需的批量商用生產(chǎn)要求。國內硅光子芯片流片都依靠國外代工，耗時久且成本高，不利于國內企業(yè)的技術快速迭代和應用拓展。

  CPO。傳統(tǒng)可插拔光模塊當單信道速率達到112G以上時，無法實現(xiàn)高效能超大數(shù)據(jù)交換，同時交換機端口面板密度的限制無法支持51.2T以上數(shù)據(jù)交換，還有成本和體積的問題需要解決。故光電共封裝CPO，就成了硅光產(chǎn)業(yè)鏈上一個繞不開的環(huán)節(jié)，硅光將在CPO時代有壓倒性優(yōu)勢。CPO指的是交換ASIC芯片和硅光引擎(光學器件)在同一高速主板上協(xié)同封裝，從而降低信號衰減、降低系統(tǒng)功耗、降低成本和實現(xiàn)高度集成。

  CPO的應用更可能從HPC和AI集群中使用的CPU、GPU和TPU切入，LC預測的CPO出貨量將從800G和1.6T端口開始。

  CPO的行業(yè)標準還在制定中，CPO標準形成估計還需要數(shù)年時間，國內據(jù)說不久會推出1.0版本的標準。國際上芯片龍頭INTEL 和交換機產(chǎn)品龍頭Cisco等一直都是CPO的積極推進者，博通、亨通洛克利等都在2021年推出了3.2T的硅光技術樣機?？傊?，CPO的發(fā)展才剛剛開始，真正的產(chǎn)品還需要數(shù)年時間，但CPO的一旦成熟應用可能會使光模塊產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)發(fā)生重大變化。

  除了光源、FAB和CPO外，硅光調制器、硅光探測器和硅光電芯片都已實現(xiàn)不同程度的規(guī)?；逃茫@些芯片融合于硅光引擎將是水到渠成的事情。

  我們知道，傳統(tǒng)光模塊的封裝結構中有各種獨立的芯片，包括各種光芯片和微電子芯片，在封裝成本、封裝體積、模塊性能和可靠性都隨著網(wǎng)絡速率和網(wǎng)絡帶寬的提升而遭遇瓶頸。

  硅光技術是結合了集成電路技術的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，在規(guī)?；a(chǎn)、成本控制、產(chǎn)品性能、封裝便利性和產(chǎn)品可靠性等方面均會有突出的優(yōu)勢，能夠很好的滿足高速互聯(lián)對更低成本、更高集成、更低功耗、更高密度等要求，這就決定了硅光被寄予擔當后摩爾定律時代的重任，在很多應用領域能大顯身手。

  三、硅基光電子的市場機遇

  硅基光電子優(yōu)勢明顯，除了在光通信領域的作用外，在其他商業(yè)領域如：光傳感、光計算、醫(yī)療健康和激光雷達等領域的價值也逐漸顯現(xiàn)，一個接一個應用得以落地。所以，硅光產(chǎn)業(yè)將在21世紀迎來爆發(fā)式增長。

  市場研究公司Yole Développement估計，硅光芯片市場在未來幾年可能會出現(xiàn)爆炸性增長，從2020年的8700萬美元增長至2026年的11億美元，并預測，從2021年開始的五年內，復合年增長率為49%。Yole的預測硅光平臺將會出現(xiàn)多種新應用，且認為增長最快的將是醫(yī)療健康和光計算領域的應用。

  有其他第三方研究報告，對硅光市場預測更加樂觀。據(jù)咨詢機構Lightcounting預測，到2026年硅光在光模塊市場份額將超過50%，2021~2026年硅光模塊市場累計將達288億美元。

  1)硅光在電信和數(shù)據(jù)中心的應用

  目前硅光集成主要的應用領域在數(shù)據(jù)中心內部互聯(lián)的應用、骨干網(wǎng)的相干應用，以及數(shù)據(jù)中心間的互聯(lián)。出貨的硅光模塊產(chǎn)品主要分為兩大類：短距離數(shù)據(jù)中心光模塊和中長距離的電信相干模塊。

  數(shù)據(jù)中心光模塊從幾年前100G到現(xiàn)在的400G、800G、未來要到1.6T。硅光100G模塊和傳統(tǒng)100G模塊在數(shù)據(jù)中心的競爭中沒有取得較大優(yōu)勢，400G的傳輸速率可能是硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的轉折點，400G及以上的光模塊采用硅光方案將具有更大的競爭優(yōu)勢。有些公司已經(jīng)開始批量400G DR4和研發(fā)800G硅光的芯片，個別公司甚至在投入研發(fā)超過1.6的硅光模片設計。下圖是數(shù)據(jù)中心光模塊的演進預測：

  業(yè)務流量增長促進5G前傳光模塊在向50/100G演進，而城域接入與匯聚層逐漸下沉，向相干高速和高集成度演進，因為相干硅光方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在相干調制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的溫控設計，可以大幅解決相干產(chǎn)品的缺陷，有更好的單纖容量和傳輸距離，100G 相干硅光模塊已經(jīng)獲得了一定的應用，但成本還是很高，相對用量不大，市場還可以接受。硅光成為相干檢測大規(guī)模商用的重要技術基礎，廠家正在角逐200GZR、400GZR相干技術規(guī)模商用，同時，800G相干方案也已納入預研階段。

  2)硅光在計算方面的應用

  AI高速發(fā)展將依靠算法、數(shù)據(jù)和算力。在摩爾定律逐漸失效的情況下，如何繼續(xù)保持計算性能提升，這將成為了一項挑戰(zhàn)，將硅光技術引入AI計算也許是一種不錯的選項。有望成功的方案是以馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)干涉儀為基礎，以光學方式進行矩陣乘法。

  國際上有Lightmatter和Lightelligence，開發(fā)以光云計算為基礎的光學神經(jīng)網(wǎng)絡加速器并推出樣機，有望開始銷售使用這種芯片的光學加速板。另一家Luminous的公司將脈沖和光學這兩種節(jié)能方法結合起來的技術其前景也值得期待。

  國內從事光計算的初創(chuàng)企業(yè)也不少，曦智科技是其中之一。曦智科技在一級市場獲得多家知名投資機構的投資，并于2021年推出的新一代光子計算處理器PACE。另一家光子算數(shù)，推出了光電混合 AI 加速計算卡。

  當然，光計算雖然前景值得期待，但還有許多技術挑戰(zhàn)需要解決，如：需要提高模擬光學計算的精度和動態(tài)范圍。因為光處理器受到各種噪聲源的影響而精度有限，但實際應用中卻需要更高的精度。

  3)硅光在激光雷達中的應用

  激光雷達大致原理是光源發(fā)出一定波長的光，探測物體反射回來的光信號形成點云圖，通過測量時間差或相位差來確定物體距離等信息，最大優(yōu)勢在于能夠利用多譜勒成像技術，創(chuàng)建出目標清晰的3D圖像。其包括光學測距、光學掃描和信號處理控制。

  激光雷達能否成功大規(guī)模商用，核心點要依賴光學掃描和光學測距兩部分的成本、體積和性能。FMCW測距和OPA掃描是理想的方案， 基于硅光芯片的FMCW和OPA的激光雷達，可極大地提高激光雷達系統(tǒng)集成度，減小系統(tǒng)體積和重量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，降低成本及裝配難度。

  激光雷達市場是一塊千億級的誘人的大蛋糕，目前處在市場爆發(fā)前期的孕育階段，還沒有確定的市場格局，群雄角逐好戲正上演。Mobileye已經(jīng)展示與Intel合作開發(fā)出硅光芯片的激光雷達，國內摩爾芯光和LuminWave也都聲稱開發(fā)出基于硅光芯片的激光雷達。

  4)硅光在消費和生物健康領域的應用

  硅光在消費電子和生物醫(yī)療等領域的應用也被寄予厚望。光可快速、超靈敏地檢測多種關鍵生物標志物，以及基于硅光芯片低成本可批量制造，故可作為DNA、葡萄糖、分子和細胞分析傳感器等應用。蘋果公司與美國Rockley Photonics公司合作開發(fā)“穿戴式診斷”的硅光子模塊，可能會開發(fā)具有保健功能的電子類產(chǎn)品如智能手表等。Bialoom也在進行硅光子生物傳感器技術研究，想制造出高性能、具有經(jīng)濟效益的生物芯片檢測感染存在。

  硅光在消費電子和生物健康領域的應用雖然還在探索階段，但其市場想象的空間可能比電信和數(shù)據(jù)中心加起來的空間都大得多。

  因此，硅光具有豐富的應用和廣闊的市場前景，國內外巨頭紛紛布局。國外的企業(yè)Intel、思科、Acacia、Luxtera及SiFotonics等均已推出多款基于硅光技術的器件產(chǎn)品，在行業(yè)內占據(jù)頭部地位。其他如Finisar、Oclaro、博通、Leti、Infinera、Rockley Photonics、Skorpios、Ciena、Molex 和 IMEC、ST、臺積電、格芯、Fabrinet等也都是這個領域不可或缺的參與者。國內企業(yè)進入該領域晚一點，在技術研究及產(chǎn)品開發(fā)與國外巨頭相比仍有不小的差距，目前仍處于追隨者的地位。光迅、阿里、海信、旭創(chuàng)和新易盛等都有不同的硅光產(chǎn)品推出。硅光的產(chǎn)業(yè)鏈如圖：

  四、硅基光電子的挑戰(zhàn)

  作為應對“后摩爾定律”可選擇的方案之一，硅光雖“火”，但還沒有“上火”，因為硅光仍面臨著不少挑戰(zhàn)。1)首先硅的缺點不少：不發(fā)光，無法直接傳輸光信號和無法直接探測光信號;2)耦合插損大;3)硅光芯片設計和模塊設計非標準化案;4)產(chǎn)業(yè)鏈不成熟。

  硅光上下游需補齊短板，構建完整成熟的硅基光電子集成產(chǎn)業(yè)鏈，我們才有可能看到 “后摩爾時代“ 的硅光之光。

  總之，21世紀將是微電子、光電子和硅基光電子共存共榮的時代，對投資者來說是很好的投資機會。