后摩爾定律時代新賽道—硅光子芯片技術(shù)

縱觀芯片發(fā)展的歷史，總是離不開一個人們耳熟能詳?shù)母拍?——“摩爾定律”。

但隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，摩爾定律日漸式微；而近幾年光電子技術(shù)的新起，也預(yù)示著半導(dǎo)體領(lǐng)域競爭新賽道的出現(xiàn)：

在芯片技術(shù)的發(fā)展過程中，隨著芯片制程的逐步縮小，互連線引起的各種效應(yīng)成為影響芯片性能的重要因素。芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一，而硅光子技術(shù)則有可能解決這一問題。

但是隨著芯片制程的不斷進(jìn)步，單個元器件越來越小，逐漸逼近物理極限，摩爾定律似乎不太好用了，芯片內(nèi)部的互連線引起的各種微觀效應(yīng)成為影響芯片性能的重要因素，而芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一。

在此背景下，或許我們應(yīng)該先了解什么是硅光子芯片技術(shù)：

圖片來自：華西證券

顧名思義，硅光子芯片技術(shù)是一種光通信技術(shù)，使用激光束代替電子半導(dǎo)體信號傳輸數(shù)據(jù)，是基于硅和硅基襯底材料（如：SiGe/Si、SOI ）等；并利用現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)。

其中，硅光子技術(shù)也結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，是應(yīng)對摩爾定律失效的顛覆性技術(shù)，這種組合得力于半導(dǎo)體晶圓制造的可擴(kuò)展性，因而能夠降低成本。

其次，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，功率效率也非常高，因此被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。

緊接著，硅光子技術(shù)是由四個關(guān)鍵器件來組成：

光源：生產(chǎn)光信號的器具，通常采用激光器或LED。

光波導(dǎo)：將光信號導(dǎo)到需要的位置，通常采用硅基光波導(dǎo)。

調(diào)制器：用于調(diào)制光信號的強(qiáng)度、相位或頻率，通常采用光電調(diào)制器。

探測器：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器具，通常采用光電二極管或光電探測器。

基于，硅光波導(dǎo)的多種光無源器件和有源器件均已先后開發(fā)成功，其中不少達(dá)到了實(shí)用化水平；由于硅屬于間接帶隙半導(dǎo)體材料，不能直接構(gòu)成電驅(qū)動激光器和光放大器，需要通過不同材料的混合集成加以實(shí)現(xiàn)。

圖片來自：華西證券

接下來，我們應(yīng)熟知硅光子技術(shù)的核心優(yōu)勢：

集成度高：硅光子技術(shù)以硅作為集成芯片的襯底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件；與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

成本下降潛力大：傳統(tǒng)的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長受限，生產(chǎn)成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進(jìn)一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進(jìn)一步提升；與三五族半導(dǎo)體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異：硅的禁帶寬度為1.12eV，對應(yīng)的光波長為1.1μm。因此，硅對于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性；此外，硅的折射率高達(dá)3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。

此外，對于我國目前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，硅光子芯片有它獨(dú)有的優(yōu)勢——可以避開先進(jìn)***的掣肘；

雖然，它在制作流程和復(fù)雜程度上同傳統(tǒng)芯片相似，但它對于制程工藝的先進(jìn)程度要求不高，不像傳統(tǒng)芯片那樣制程和能效的關(guān)聯(lián)性巨大，一般百納米級的工藝水平就能滿足硅光子芯片的要求。

再者，這對于我國來說，120納米左右的芯片是完全可以自主生產(chǎn)的，這樣就可以繞開先進(jìn)制程工藝的限制，在未來實(shí)現(xiàn)換道超車。

隨著摩爾定律逐漸遭遇天花板，硅光子技術(shù)的投入研發(fā)再次被重視，越來越多的科技公司開始加大對硅光子技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入。

圖片來自：Yole Group

尤其，在10nm后硅基CMOS摩爾定律開始失效，傳統(tǒng)集成電路、器件提升帶寬模式逼近極限。

相比之下，硅光技術(shù)有機(jī)結(jié)合了成熟微電子和光電子技術(shù)，既減小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成為“超越摩爾”的新技術(shù)路徑。面對硅光子技術(shù)的確定性發(fā)展趨勢，海內(nèi)外巨頭公司瞄準(zhǔn)硅光子技術(shù)新賽道。

據(jù)YOLE分析，硅光子在光收發(fā)器市場的份額預(yù)計到2027年可能會從目前的20％擴(kuò)大到30％左右；用于消費(fèi)者健康設(shè)備的硅光子學(xué)預(yù)計到2027年復(fù)合年增長率將達(dá)到30％，達(dá)到2.4億美元；用于人工智能和其他高端計算應(yīng)用的光子處理器的復(fù)合年增長率將達(dá)到142％，達(dá)到2.44億美元。

相比之下，硅光子芯片封裝也面臨著困擾：芯片封裝是任何芯片的必經(jīng)流程，關(guān)于硅光子的芯片封裝問題，這是目前行業(yè)的一大痛點(diǎn)。

因此，硅光芯片的封裝主要分為兩個部分：其一是光學(xué)部分的封裝，其二則是電學(xué)部分的封裝。

目前，從光學(xué)封裝角度來說，因?yàn)楣韫庑酒捎玫墓獾牟ㄩL非常的小，跟光纖存在著不匹配的問題，與激光器也存在著同樣的問題。不匹配的問題就會導(dǎo)致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統(tǒng)封裝相比最大的區(qū)別；用硅光做高速的器件，隨著性能的不斷提升，Pin的密度將會大幅度增加，這也會為封裝帶來很大的挑戰(zhàn)。

不難發(fā)現(xiàn)，作為下一代的半導(dǎo)體技術(shù)，其技術(shù)本身的起步已很早就開始，早在上世紀(jì)九十年代，就提出了有關(guān)的一些概念，是為了在芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。

21世紀(jì)初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開始重點(diǎn)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；

不久前，臺積電宣布聯(lián)手英特爾押注硅光子芯片，加上近期又傳出蘋果在研究硅光子芯片的應(yīng)用，硅光子芯片開始進(jìn)入大眾視野。

放眼未來，伴隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，硅光子芯片在智能終端、大數(shù)據(jù)、超算等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用，正是有著如此多的優(yōu)勢和特點(diǎn)，在大數(shù)據(jù)、生命科學(xué)、激光武器等高端領(lǐng)域其作用不可替代。

審核編輯：劉清