光電收發(fā)模塊如何運作？硅光子目前技術(shù)瓶頸在哪？

隨著AI、通訊、自駕車等領(lǐng)域?qū)Ａ窟\算的需求漸增，在摩爾定律的前提下，集成電路的技術(shù)演進已面臨物理極限，該如何突破？那就是走向光，目前許多國內(nèi)外廠商正積極布局「硅光子」（Silicon Photonics）技術(shù)，當(dāng)電子結(jié)合光子，不只解決原本訊號傳輸?shù)暮膿p問題，甚至視為開啟摩爾定律新篇章、顛覆未來世界的關(guān)鍵技術(shù)。

集成電路（IC）將上億個電晶體微縮在一片芯片上，進行各種復(fù)雜的運算。硅光子則是集成「光」路，把能導(dǎo)光的線路全數(shù)集中。簡單來說，是在硅的平臺上，將芯片中的「電訊號」轉(zhuǎn)成「光訊號」，進行電與光訊號的傳導(dǎo)。

隨著科技進步迅速、計算機運算速度提升，芯片間的通訊成為計算機運算速度的關(guān)鍵。去年 ChatGPT 剛推出，問答過程中易出現(xiàn)卡頓、跳掉的狀況，也和數(shù)據(jù)傳輸問題相關(guān)，因此 AI 技術(shù)不斷升級時，維持運算速度是迎接 AI 時代的重要一環(huán)。

硅光子能提升光電傳輸?shù)乃俣?，解決目前計算機元件使用銅導(dǎo)線所遇到的訊號耗損及熱量問題，因此臺積電、英特爾等多間半導(dǎo)體巨頭已經(jīng)投入相關(guān)技術(shù)研發(fā)。

但在介紹硅光子應(yīng)用與瓶頸前，我們需要先了解光電收發(fā)模塊的運作：

光電收發(fā)模塊如何運作？

先想象光電收發(fā)模塊是類似 USB 的長方形模塊，插進計算機后才能讀取信息。換言之，光訊號必須先進入該模塊，才能將訊號打入服務(wù)器。

傳統(tǒng)的插拔式模塊（transceiver，又稱收發(fā)器）內(nèi)部有許多光電元件，當(dāng)光訊號進去模塊里，會需要光接收器（PD，Photodetector）來接收光，之后訊號源進入模塊，因為光的電流很小，需要放大器（TIA）將電流信號放大，同時把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓。

電訊號進入主機后會遇到交換器（Switch），能將電訊號進行處理、轉(zhuǎn)換，判斷電該從哪個軌道出去，出去后經(jīng)過光調(diào)變器（Optical Modulator），同時搭配雷射光源輸入的情況下，將電訊號再切換成光訊號，這就是光電收發(fā)模塊的概念。

硅光子和光電收發(fā)模塊有什么關(guān)系？

一個光電模塊包含光接收器、放大器、調(diào)變器等許多元件，過去這些元件都是個別、零散地放在 PCB 板上，但為了提升功耗、增加訊號傳輸速度，這些元件改成全整合到單一硅芯片上，這是硅光子的「精神」。

之所以說「精神」，是因為在硅平臺上的光電訊號轉(zhuǎn)換，都能算在硅光子技術(shù)范疇，過程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會以硅光子發(fā)展至今的每個階段，作為分享的主軸。

集成電路下一步集成「光」路：硅光子三部曲

一、硅光子第一階段：從傳統(tǒng)插拔式模塊升級

硅光子已默默耕耘 20 多年，傳統(tǒng)的硅光子插拔式外型非常像 USB 界面，外接兩條光纖，分別傳輸進去和出去的光；但插拔式模塊的電訊號進入交換器前，必須走一大段路（如下圖 b），在高速運算損失又多(大)，所以為了減少電損失，硅光元件改到接近服務(wù)器交換器外圍的位置，縮短電流通的距離，而原本的插拔式模塊只剩下光纖。

而上述這個作法，正是目前業(yè)界積極發(fā)展的「共封裝光學(xué)模塊」（CPO，Co-Packaged Optics）技術(shù)。主要是將電子集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）共同裝配在同一個載板，形成芯片和模塊的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發(fā)模塊，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 芯片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及訊號延遲。

據(jù)了解，這項技術(shù)能降低成本，資料量傳輸提升 8 倍，提供 30 倍以上的算力并節(jié)省 50% 功耗。但目前芯片組的整合仍處于現(xiàn)在進行式，如何精進 CPO 技術(shù)，成為硅光子發(fā)展的下一個重要步驟。

二、解決 CPO 瓶頸然后呢？硅光子第二階段：解決 CPU/GPU 對傳問題

目前硅光子主要在解決插拔式模塊的訊號延遲之挑戰(zhàn)，隨著技術(shù)發(fā)展，下一階段將會是解決 CPU 和 GPU 傳輸?shù)碾娪嵦枂栴}。學(xué)界指出，芯片傳輸以電訊號為主，所以下一步要讓 GPU 和 CPU 透過光波導(dǎo)進行內(nèi)部對傳，將電訊號全轉(zhuǎn)為光訊號，來加速 AI 運算并解決目前算力瓶頸。

三、硅光子終極第三階段：全光網(wǎng)路（AON）時代來臨

當(dāng)技術(shù)再往下一步走，將迎接「全光網(wǎng)路」時代，意思是芯片間的所有對傳全變成光訊號，包括隨機存儲、傳輸、交換處理等都以光訊號傳遞。目前日本已在硅光子導(dǎo)入全光網(wǎng)路這部分積極布局。

硅光子如何開啟摩爾定律新篇章？能導(dǎo)入哪些應(yīng)用領(lǐng)域？

摩爾定律預(yù)測，相同尺寸芯片中能容納的晶體管數(shù)量，因爲(wèi)制程技術(shù)推進，每 18～24 個月會增加一倍。但由于芯片是電訊號，傳輸會有訊號損失的問題，即使單位面積晶體管數(shù)量漸增，仍無法避免電耗損的問題。

然硅光子技術(shù)的出現(xiàn)，以光訊號代替電訊號進行高速資料傳輸，實現(xiàn)更高頻寬和更快速度的數(shù)據(jù)處理，使芯片不需擠更多晶體管數(shù)量，不需追求更小奈米和節(jié)點，且能在現(xiàn)有硅制程基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高集成度、更高效能的選擇，進一步推動摩爾定律的發(fā)展。

由于高頻寬、小尺寸、低能耗和成本效益等優(yōu)勢，硅光子在通訊和高速運算領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿?，可?yīng)用于生醫(yī)感測、量子運算、機器學(xué)習(xí)、光學(xué)雷達（LiDAR）等領(lǐng)域。以光達為例，若未來發(fā)展到Level 4~5的無人自駕車，面對復(fù)雜的外在環(huán)境，訊號處理必須非?？焖?，以硅光子技術(shù)為基礎(chǔ)的 LiDAR 感測是目前相當(dāng)被看好的突破方式，這些應(yīng)用潛力將帶來革命性的變化，促進通信、醫(yī)療和科學(xué)等領(lǐng)域的技術(shù)革新，開創(chuàng)更智能、高效的未來。

硅光子目前技術(shù)瓶頸在哪？

目前硅光子在元件整合上仍有諸多挑戰(zhàn)，首先是界面溝通語言問題，舉例來說，半導(dǎo)體廠商雖然了解電的制程，但因為光子元件效能對溫度和路徑都很敏感，制程上線寬與線距對光訊號影響相當(dāng)大，若要開發(fā)更高效的光子元件結(jié)構(gòu)和制程，需要一個溝通平臺，提供設(shè)計規(guī)格、材料、參數(shù)等，進行光電廠商的信息語言整合。

再者，短期硅光子用于利基型市場，各類型的封裝制程與材料標準也還在陸續(xù)建立中，大多提供硅光芯片下線的晶圓代工廠都屬于客制化服務(wù)，或者不方便提供給他廠使用，缺乏統(tǒng)一平臺恐阻礙硅光子技術(shù)的發(fā)展。

除了以上提到的缺乏共通平臺外，高成本制造、光源集成、元件效能、材料匹配、熱效應(yīng)和可靠性等也是硅光子制程瓶頸之一。隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，預(yù)計這些瓶頸在未來數(shù)年到十年內(nèi)有望得到突破。

審核編輯：劉清