光芯片步入“黄金时代”

浪漫没有后来

曾在与电子芯片竞争中落后的光子芯片，正在崛起。


近段时间以来，英特尔和英伟达投资Ayar Labs，华为入股微源光子及长光华芯，格芯推出新硅光子技术，新思科技成立OpenLight公司等等，头部大厂一系列举动都正在将行业目光聚焦到“光芯片”赛道。


随着5G、AIoT、云计算等各项应用的逐步落地，对数据传输提出了更高的要求。与此同时，数据中心光电转换必需的器件——光模块迎来了爆发式增长。有数据统计，在多平面网络架构下的，新一代数据中心对光模块的需求量增加了65倍。


LightCounting的预测显示，全球光模块的市场规模将在未来5年以CAGR 14%保持增长，预计2026年达到176亿美元。




全球光模块细分市场规模及预测 （图源：LightCounting）

其中，光芯片的性能直接决定光模块的传输速率，是产业链核心之一。以光通信产业链为例，光芯片位于整个产业链的顶端，占据光模块成本的50%以上，是整个光通讯产业链条中技术最复杂、价值最高的环节。




光通信产业链

光芯片迎来发展机遇


半个世纪以来，微电子技术大致遵循着“摩尔定律”快速发展，随着信息技术的不断拓宽和深入，芯片的工艺制程已减小到5nm以下，但由此带来的串扰、发热和高功耗问题愈发成为微电子技术难以解决的瓶颈。


同时，在现有冯诺依曼计算系统采用存储和运算分离的架构下，存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈，严重制约系统算力和能效的提升。此外，处理器与内存之间、处理器与处理器之间信息交互的速度严重滞后于处理器计算速度，访存与I/O瓶颈导致处理器计算性能有时只能发挥出10%，这对计算发展形成了极大制约。


电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，继续在电子计算技术范式上寻求突破口步履维艰。在面向“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术里，光芯片已进入人们的视野。


光芯片，一般是由化合物半导体材料（InP和GaAs等）所制造，通过内部能级跃迁过程伴随的光子的产生和吸收，进而实现光电信号的相互转换。


微电子芯片采用电流信号来作为信息的载体，而光子芯片则采用频率更高的光波来作为信息载体。相比于电子集成电路或电互联技术，光芯片展现出了更低的传输损耗 、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力。

此外，光互联还可以通过使用多种复用方式（例如波分复用WDM、模分互用MDM等）来提高传输媒质内的通信容量。因此，建立在集成光路基础上的片上光互联被认为是一种极具潜力的技术，能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈。



光子芯片展望

回顾光芯片发展历程，早在1969年美国的贝尔实验室就已经提出了集成光学的概念。但因技术和商用化方面的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。


近年来随着技术的发展，包括硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种材料体系已被用于研发单片集成或混合集成的光子芯片。


在过去数年里，光子集成技术的发展已经取得了许多进展和突破。


据了解，目前纯光子器件已能作为独立的功能模块使用，但是，由于光子本身难以灵活控制光路开关，也不能作为类似微电子器件的存储单元，纯光子器件自身难以实现完整的信息处理功能，依然需借助电子器件实现。因此，完美意义上的纯“光子芯片”仍处于概念阶段，尚未形成可实用的系统。严格意义上讲，当前的“光子芯片”应该是指集成了光子器件或光子功能单元的光电融合芯片，仍存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题。


光子集成电路虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。光子芯片需要与成熟的电子芯片技术融合，运用电子芯片先进的制造工艺及模块化技术，结合光子和电子优势的硅光技术将是未来的主流形态




硅基光电子集成芯片概念图

高速数据处理和传输构成了现代计算系统的两大支柱，而光芯片将信息和传输和计算提供一个重要的连接平台，可以大幅降低信息连接所需的成本、复杂性和功率损耗。随着光芯片技术的发展迭代，大型云计算厂商和一些企业客户的需求都在从100G过渡到400G，400GbE的数据通信模块出货量翻了一倍，在2021年达到创纪录的水平。


由此可见，光器件行业整个产业链都在持续向满足更高速率、更低功耗、更低成本等方向演进升级，800G及更高速率产品也逐渐开始使用，不同细分领域都面临新技术的迭代和升级。


迄今为止，硅光子商业化较为成熟的领域主要在于数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等光连接领域，800G及以后硅光模块性价比较为突出。此外，Yole认为未来几年内增长最快的将是汽车激光雷达、消费者健康和光子计算领域的应用。


光芯片赛道“高手云集”


光芯片的广阔市场前景自然吸引了众多厂商“抢食”。


从市场格局来看，美国是硅光子领域起步最早也是发展最好的国家，1991年美国便成立了“美国光电子产业振兴会”，以引导资本和各方力量进入光电子领域。2014年，美国又建立了“国家光子计划”产业联盟，明确将支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发。


欧洲和日本也在跟进，中国大概在2010年以后开始入局光芯片赛道。另外，新加坡的IME也是较早建立硅光子工艺的平台之一，为行业的发展作出了不小的贡献。


从当前产业链进展看，全球光芯片产业链已经逐渐成熟，从基础研发到制造工艺再到商业应用的各个环节均有代表性企业。其中以英特尔、思科、英伟达、格芯等为代表的企业占据了硅光芯片和模块出货量的大部分，成为业内领头羊。


英特尔：光芯片赛道“领头羊”


虽然是贝尔实验室提出的光芯片技术的概念，但将其发扬光大的却是英特尔。


英特尔从20多年前就开始进行硅光子学研究，直到2016年才将其第一批硅光子光学收发器投入使用，标志着光子集成真正进入到主流应用领域。


英特尔第一个产品是100G PSM4 QSFP，在并行单模光纤上具有2公里的距离，并且在发射器芯片上具有磷化铟层，实现了四个混合激光器和用于将电信号转换为光的调制器和光电检测器以将光转换为电信号。该方案通过提供快速、可靠和经济高效的连接能力而提供巨大的价值。


2017年下半年英特尔开始大批量供应100G产品；2018年英特尔将其100G硅光收发器产品组合扩展到数据中心之外进入网络边缘，公布了为加速新的5G应用场景和物联网应用产生的大量数据转移而优化的新硅光产品；同年，英特尔还展示出了其400G硅光能力；2020年英特尔开始开发其200G FR4和400G DR4光学收发器...


据知乎博主“溜达兔”介绍，从2016年英特尔将其硅光子产品“100G PSM4”投入商用起，截止目前，英特尔已经为客户提供了超过400万个100G的硅光子产品。而在2020年的英特尔研究院开放日活动上，英特尔又提出了“集成光电”愿景，即将光互连I/O直接集成到服务器和封装中，对数据中心进行革新，实现1000倍提升，同时降低成本。


在高速网络交换芯片市场，英特尔正在力推Tofino方案，其中包括了自研的硅光子技术和高级封装技术，即光电共封技术(co-packaged，CPO）。


光电共封就是把将光芯片和电芯片(交换芯片)焊接在同一个基板上，芯片之间采用光连接，对于高速芯片来说，可以解决功耗，散热，和端口密度等问题。英特尔为可编程以太网交换机芯片技术而收购Barefoot时，显然也是考虑到了光电共封CPO技术。


目前，英特尔已经能做到在CMOS芯片紧密集成的单一技术平台上，将多波长激光器、半导体光学放大器、全硅光电检测器以及微型环调制器集成到一起，目前已经实现集成光子器件模块芯片的量产应用。


在今年OFC会议上，英特尔展示了其可靠的InP激光器、240Gbps的微环调制器及其控制电路。在这些核心IP的基础上，英特尔演示了800G的硅光发送器，并展示了其在CPO与Optical I/O的布局，三个方向都在稳步向前推进。




英特尔800G硅光模块示意图

综合来看，英特尔在硅光产品线的整体布局如下图所示，包括Transceiver, CPO和Opitcal I/O，其带宽与能效比也是逐步提升。





相对于其他采用代工厂的品牌来说，英特尔的优势还在于其一直走的都是一体化IDM模式，按照英特尔的说法，“英特尔是唯一一家在软件、硅和平台、封装和工艺方面具有深度和广度的公司。”


此外，对高塔半导体（Tower Semiconductor）的收购又填补了英特尔在光子芯片领域的技术实力。今年1月份，高塔半导体联合网络通讯设备公司瞻博网络(Juniper Networks)推出硅光子代工工艺，可将III-V族激光器、半导体光放大器(SOA)、电吸收调制器(EAM)和光电探测器与硅光子器件共同集成在一颗单芯片上，构成尺寸更小、具有更多通道数且更节能的光学架构和解决方案。


凭借英特尔在硅光子工艺和封装技术领域的积累，未来或将会成为该领域的有力竞争者。


Ayar Labs：光芯片赛道明星初创公司


除了自研之外，英特尔还在持续入股相关公司。近期投资了光芯片行业明星初创企业Ayar Labs。


据介绍，Ayar Labs的光学I/O解决方案消除了与系统带宽、功耗、延迟和范围相关的瓶颈，显着改进了现有系统架构，并为人工智能、高性能计算、云、电信、航空航天和遥感应用。据透露，Ayar Labs已经批量出货了第一批产品，预计到今年年底将出货数千个封装内的光学互连芯片。


Ayar Labs的专利技术采用行业标准的硅加工工艺，开发了高速、高密度、低功耗的光互连芯片和激光器，以取代传统的电学I/O互连。Ayar Labs的高度差异化技术对于支持未来的高性能计算架构至关重要。


此外，为Ayar打开钱包的还有英伟达、惠普、应用材料以及芯片制造商格芯等科技公司和十几家投资公司的支持，Ayar与格芯携手开发了许多关键封装技术，其中包括铜柱技术和V型槽光纤连接技术等。


博通：CPO技术竞争愈发激烈


博通（Broadcom）是全球领先的有线和无线通信半导体公司，也是VCSEL芯片的主要供应商之一。在光学数据通讯市场产品供应丰富，包括光纤接收器、嵌入式光学模组以及自适应光缆等。


博通去年初发布了两款支持光电共封（Co-Packaged Optics简称CPO）技术的下一代交换ASIC芯片概念，首款25.6Tb Humboldt芯片预计在2022年年底推出，51.2Tbps芯片Bailly则将于2023年后发布。博通同时宣布计划推出基于硅光技术的支持与DSP合封的800G DR8 可插拔光模块，以及下一步与CPU和GPU共封的计划。


可以看到，在顶级高端交换芯片领域的光电共封CPO技术的竞争将越来越激烈。


思科：收购入局


思科于2012年、2019年收购Lightwire、Luxtera(硅光市占率35%)及Acacia公司，快速布局硅光领域，成为了收发器、交换机和通用共同封装光学器件硅光子学领域的领导者。


目前思科使用台积电来满足他们的一些光子学需求，思科还与英特尔、格芯在制造方面建立了合作伙伴关系。


Lightwire在CMOS纤维光学和封装设计方面拥有专业优势，通过将多种高速主动和被动光纤功能整合到一小块硅基片上的方式在光纤互联领域取得一些创新成果；


Luxtera曾研发世界第一款CMOS光子器件，为最早推出商用级硅光集成产品的厂商之一，2015年发布100G PSM4硅光子芯片；


Acacia 400G硅光模块方案主要是将分离光器件集成为硅光芯片的基础上再与自研DSP电芯片互联，最终外接激光器进行封装，已于2020年开始送样给客户。


英伟达：以光器件破局


由于收购了Mellanox，英伟达成为了顶级网络供应商。此外，英伟达还收购了一些光子学公司，包括瑞典的OptiGOT，同时还为Infiniband网络中使用的光子收发器进行了一些设计。英伟达拥有用于交换机的完整IP阵列，由于其作为AI训练和加速计算的领先公司，他们遇到了与计算应用程序相关的最难的I/O功率扩展问题。


由于新的人工智能模型在参数数量上的爆炸式增长，英伟达在性能和功率方面陷入了困境，需要共同封装的光学器件才能继续在AI中扩展。


英伟达之前曾提出过与共封装光子学相关的研究，直到2019年英伟达宣布以69亿美元的价格收购光纤互连领军者Mellanox。于Mellanox在2013年收购Kotura时所获得的技术，此次交易将为英伟达带来硅光子产品组合，使数据处理和互连构成同一解决方案的组成部分。


格芯：光子技术代工“佼佼者”


在工艺方面，格芯（GlobalFoundries）是硅光子技术方面的投入程度可能是几家主流代工厂中最积极的。


格芯从数年前就开始积极布局，目前能提供先进的硅光子工艺平台，包括各种光波导、相移器、极化器、光二极管等等，除了硅光子工艺之外，格芯还提供高级封装选项，帮助客户实现CPO技术。


前不久，格芯推出新一代硅光子平台Fotonix，实现了多项复杂工艺整合至单个芯片的功能，把光子系统、射频组件和CMOS集成到同一块芯片上。格芯将300mm光子学特性和300Ghz级别的RF-CMOS工艺集成到硅片上的平台，可以提供一流、大规模的性能。


据公布资料显示，目前其Fotonix平台的客户包括Broadcom、Marvell、Nvidia、Synopsys、Cisco等硅光子领域的重要厂商，以及 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 等光子技术厂商，未来前景大有可观。


GF Fotonix 解决方案将在格芯位于纽约州马耳他的先进制造厂中生产，为客户提供参考设计套件、MPW、测试、晶圆厂前端和后端服务、交钥匙和半导体制造服务，帮助客户更快地将产品推向市场。格芯允许客户在芯片上封装更多产品功能并“简化他们的材料清单”，GF Fotonix 也支持各种芯片封装解决方案，包括用于更大光纤阵列的无源附件、2.5D 封装和片上激光器。


格芯是目前唯一能提供 300mm 单芯片硅光解决方案的纯晶圆代工厂，该解决方案展示了出色的单位光纤数据传输速率（0.5Tbps/光纤）。这样可以构建 1.6-3.2Tbps 的光学小芯片，从而提供更快速高效的数据传输，并带来更好的信号完整性。此外，由于系统误码率降低到了万分之一，它还能够支持下一代人工智能。


Ayar Labs 首席执行官 Charles Wuischpard 也指出，在创立早期就已经与格芯在 GF Fotonix 开发方面展开合作，从集成 PDK 和工艺优化，到展示第一颗可以工作芯片，Ayar Labs 的单芯片电子/光子解决方案与 GF Fotonix 相结合，打开了芯片之间的光学 I/O 市场的巨大的机遇，为年底之前批量生产做好了准备。


除了格芯外，高塔半导体推出了PH18DA制造工艺，能够降低成本，提高功率效率，并简化封装；台积电也推出了用于硅光子芯片的先进封装技术——COUPE（紧凑型通用光子引擎）异构集成技术。但相比起定位于全球领先的硅光子代工厂的格芯和拥有自己硅光代工平台的英特尔，其它代工厂商的布局仍稍显不足。


新思科技：生态系统的“加速器”


由于涉及大量复杂的混合信号，光子代工过程非常困难，验证设计的工作原理也非常困难。Synopsys、Cadence和Ansys等厂商与制造厂合作进行PDK开发和仿真是创建强大的设计生态系统的关键。


以新思科技（Synopsys）为例，其光电统一的芯片设计解决方案 OptoCompiler 可助力开发者更好地在 硅光平台上进行创新，可为光子芯片提供完整的端到端设计、验证和签核解决方案。OptoCompiler 将成熟的专用光子技术与业界领先的仿真和物理验证工具相结合，开发者能够对复杂的光子芯片进行快速、准确的设计和验证。


近期，新思科技与瞻博网络联合成立了面向硅光子市场的 OpenLight 公司，旨在加速高性能光子集成电路的开发，OpenLight将其激光集成作为其技术的一个关键优势，希望能够吸引那些希望为硅光子应用生产芯片的客户。


OpenLight技术已通过Tower Semiconductor的PH18DA制造工艺的资格和可靠性测试，通过将用于半导体激光器的磷化铟材料直接加工到硅光子芯片上。


中国光芯片产业的进展与出路


反观国内市场，近些年在下游需求大幅扩张的带动下，国内厂商通过技术研发、对外收购等多种方式尝试打造中国的光芯片产业。


工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。




资料来源：中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)

从上图可以看到，国产高端光芯片的缺失给行业带来了巨大发展机会。在政策支持下，我国光芯片行业发展迅速。尤其近年来，国际局势不稳，国外断供国内芯片的事件频频发生，国产替代也便成为了近年国内半导体业界的热门话题，依靠国内部分光芯片龙头企业的不断发力，在50G/400G等PAM4光模块产品已经实现了较大突破，已先后推出了50G QSFP28 PAM4 LR、400G QSFP-DDSR8等产品，后续50G QSFP28 BIDI/ER以及400G QSFP-DD DR4/FR4也将陆续发布。


据不完全统计，目前本土光芯片/光模块厂商主要有：芯思杰、瑞识科技、新亮智能、度亘激光、长瑞光电、立芯光电、源杰半导体、锐晶激光、索尔思光电、长光华芯、华工科技、光迅科技、新易盛、云岭光电、敏芯半导体、博创科技、中际旭创、纵慧芯光、曦智科技、剑桥科技、凌越光电、盛为芯等企业。


此外，国内通信龙头企业华为也在积极布局光芯片赛道。


据投资界信息，2012年，华为收购英国集成光子研究中心CIP Technologies，开启了光芯片领域的探索；次年，华为又出手收购一家比利时硅光技术开发商Caliopa，完善自身在光芯片领域的技术实力。


而后自2019年下半年开始，华为再次集中投资光电芯片企业，一度掀起国内光芯片投资热潮。今年3月，华为又投了另一家光电芯片企业——纵慧芯光。据不完全统计，截至目前，华为投资布局版图涉及十余家光芯片产业链相关企业。


2020年2月，华为还在伦敦发布了800G可调超高速光模块。据介绍，该产品支持200G-800G速率灵活调节；单纤容量达到48T，对比业界方案高出40%；基于华为信道匹配算法，传输距离相比业界提升20%。这款产品被应用在全系列的华为OptiXtrans光传送产品中，是华为光网络顶级竞争力的重要组成部分。


去年4月，华为还公布了一项关于光学芯片的专利，名为“耦合光的光学芯片及制造方法”，专利中不仅提供了一种用于在光学芯片与另一光学器件之间耦合光的光学芯片，同时还提供了制造这种光学芯片的方法，甚至还包含了对晶圆的切割、蚀刻。


一系列动作也能看到华为在光芯片赛道的专注与坚持。换句话说，华为确信光芯片是未来数据传输的技术之光。


虽然国产厂商进入该领域较晚，市场份额相对较小。但是通过近年来在技术上的快速追赶，国内已经掌握光芯片核心技术的厂商队伍不断壮大，与国外厂商在技术上的差距已经是越来越小。


据维科网产业研究中心的统计，过去八年间，国内光芯片市场规模已经从8亿美元攀升至20.8亿美元，年均复合增长率约17.3%。同时，根据我国在5G、数据中心、“西数东算”、“双千兆”网络的规划，预计2022年国内光芯片市场规模有望进一步扩大至24亿美元。


对我国而言，既要在传统赛道电子芯片领域尽快补短板，也要尽早在光子芯片等新赛道布局发力。双管齐下，努力抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇。


写在最后


光芯片，已成为当前业内关注的焦点，也是创投圈最吸金的赛道之一。


随着摩尔定律脚步的放缓，探索新的技术已经成为目前半导体领域的关键任务。将光子和集成电路的电子结合在一起，甚至是用光子替代电子形成“片上光互联”，以实现对现有光模块产业链的重塑，正成为半导体行业数个“颠覆式创新”中的重要方向之一。

正如陕西光电子先导院执行院长米磊所言：“迎着智能化曙光，未来将掀起光子技术产业的革命，类似于从电子工业的晶体管迈入集成电路时代的技术革命，集成光路将是半导体领域60年一遇的“换道超车”的重要机遇。”
以上来自 半导体观察，仅供参考

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