國(guó)內(nèi)首款2Tb/s 3D集成硅光芯粒成功出樣，華為、英偉達(dá)等巨頭爭(zhēng)相布局

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）日前，國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心（NOEIC）宣布取得重大進(jìn)展：該機(jī)構(gòu)和鵬城實(shí)驗(yàn)室的光電融合聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成了2Tb/s硅光互連芯粒（chiplet）的研制和功能驗(yàn)證，在國(guó)內(nèi)首次驗(yàn)證了3D硅基光電芯粒架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單片最高達(dá)8×256Gb/s的單向互連帶寬。

2Tb/s硅基3D集成光發(fā)射芯粒（圖源：國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心）

2Tb/s硅基3D集成光接收芯粒（圖源：國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心）

據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)在2021年1.6Tb/s硅光互連芯片的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步突破了光電協(xié)同設(shè)計(jì)仿真方法，研制出硅光配套的單路超200Gdriver和TIA芯片。同時(shí)還攻克了硅基光電三維堆疊封裝工藝技術(shù)，形成了一整套基于硅光芯片的3D芯粒集成方案。

硅光芯片被寄予厚望

根據(jù)國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心的介紹，2Tb/s3D集成硅光芯粒成果將廣泛應(yīng)用于下一代算力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各類光模塊產(chǎn)品中，為國(guó)內(nèi)信息光電子技術(shù)的率先突圍探索出可行路徑。

從產(chǎn)品類型來說，硅光器件可以分為三個(gè)層次：硅光基礎(chǔ)器件、硅光芯片和硅光模塊。其中，硅光基礎(chǔ)器件便是用于傳導(dǎo)和控制光的各種器件，包括光源、調(diào)制器、探測(cè)器、波導(dǎo)等；硅光芯片是利用硅的半導(dǎo)體特性，在芯片上形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)引光子在芯片內(nèi)部傳播，實(shí)現(xiàn)方式是在硅基上直接蝕刻或集成調(diào)制器、接收器等器件，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制器、接收器、無源光學(xué)器件高度集成的芯片；硅光模塊是指進(jìn)一步將光源、硅光器件/芯片、外部驅(qū)動(dòng)電路等集成到一個(gè)模塊，包括光收發(fā)模塊、光接收模塊和光收發(fā)一體模塊等。

硅光互連是利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（COMS）或者SiGeBiCMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)，其核心理念是用激光束代替電子信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。硅光芯片中的光器件可以分為有源器件和無源器件。有源器件包括激光器、調(diào)制器和光電探測(cè)器；無源器件包括平面波導(dǎo)、光柵或邊緣耦合器等。

基于COMS工藝的硅光芯片是采用硅基材料和CMOS工藝生長(zhǎng)而形成。由于采用了新型波導(dǎo)技術(shù)，這種工藝可以將電子和光子器件集成到單顆芯片中?；贑OMS工藝的硅光芯片能夠利用半導(dǎo)體在超大規(guī)模、微小制造和集成化上的成熟工藝，具有功耗低、集成度高和工藝成熟且先進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。

SiGeBiCMOS工藝集成技術(shù)，是在制造電路結(jié)構(gòu)中的雙極晶體管時(shí)，在硅基區(qū)材料中加入一定含量的鍺，形成應(yīng)變硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管，以改善雙極晶體管特性的一種硅基工藝集成技術(shù)。按照意法半導(dǎo)體的說法，BiCMOS可在單顆芯片上融合兩種不同工藝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：雙極晶體管可達(dá)到較高的速度和增益，滿足高頻模擬部分的要求，而CMOS技術(shù)則非常適合構(gòu)成簡(jiǎn)單的低功耗門邏輯電路。

目前，基于COMS工藝的硅光芯片和基于SiGeBiCMOS工藝的硅光芯片算是并駕齊驅(qū)。通過這樣的創(chuàng)新理念，硅光互連為數(shù)據(jù)中心傳輸帶來了新的解決方案。在傳統(tǒng)電信號(hào)傳輸中，存在嚴(yán)重的信號(hào)衰減和效率低等問題。英特爾曾在博文中表示，在一個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部電路上，如使用PCB進(jìn)行傳輸，在兩個(gè)芯片物理距離超過1米的情況下，接收端收到的信號(hào)強(qiáng)度僅為傳輸端的萬分之一。而光模塊的大帶寬，不僅可降低能耗和發(fā)熱，還能實(shí)現(xiàn)大容量光互連，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，有效解決網(wǎng)絡(luò)擁堵和延遲等問題。

根據(jù)LightCounting的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年硅光子技術(shù)在每秒峰值速度、能耗、成本方面已經(jīng)全面超越傳統(tǒng)光模塊，預(yù)計(jì)到2024年全球硅光系統(tǒng)中光模塊市場(chǎng)市值將達(dá)65億美金。當(dāng)然，硅光芯片的優(yōu)勢(shì)不僅在傳輸方面，在計(jì)算層面也有巨大的潛力。對(duì)于國(guó)產(chǎn)芯片來說，硅光計(jì)算芯片是AI芯片國(guó)產(chǎn)化和彎道超車的有效途徑。在計(jì)算過程中，光子器件具有高速、大帶寬和低功耗的特點(diǎn)，使得光子計(jì)算可以更好地實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理，也可以避免電子信號(hào)傳輸帶來的噪聲和時(shí)延等問題。

芯片巨頭和初創(chuàng)企業(yè)紛紛看好硅光芯片

由于硅光芯片在計(jì)算和連接方面體現(xiàn)出來的巨大優(yōu)勢(shì)，目前芯片產(chǎn)業(yè)無論是國(guó)際巨頭還是初創(chuàng)企業(yè)，都紛紛涌入這一賽道，并且國(guó)內(nèi)有很多科研機(jī)構(gòu)也是重點(diǎn)研究硅光芯片。

就以國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心來說，該機(jī)構(gòu)不僅研究硅光芯片，也研究硅光基礎(chǔ)器件等其他類型。2023年12月，國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心宣布首款國(guó)產(chǎn)化110GHz電光調(diào)制器研制成功，具有超高帶寬、超高速率、低啁啾、低驅(qū)動(dòng)電壓、高線性度等特性，可以廣泛用于光通信、光互連、光計(jì)算、光電測(cè)試測(cè)量、微波光子等寬帶光電子信息系統(tǒng)。

企業(yè)方面，國(guó)內(nèi)華為研發(fā)硅光芯片的消息一直就沒有斷過，雖然沒有太多關(guān)于華為硅光芯片產(chǎn)品方面的消息，不過華為海思在硅光、光通信等方面有大量的公開專利，海思也在招聘光芯片方面的人才。另外，賽微電子曾在公開平臺(tái)上表示，該公司的角色是為華為（海思）提供硅光子芯片的代工服務(wù)，包括工藝開發(fā)和晶圓制造。

除了華為，國(guó)內(nèi)像源杰科技、長(zhǎng)光華芯、華工科技、中際旭創(chuàng)、新易盛、劍橋科技、羅博特科、光迅科技、仕佳光子等公司也都在積極布局硅光芯片。

在國(guó)際廠商方面，為了增強(qiáng)自己在數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，英特爾在硅光芯片領(lǐng)域是非?；钴S的。去年，英特爾曾在HotCHIPS會(huì)議上展示一款代號(hào)“Piuma”的處理器。這顆芯片采用了7nm工藝，擁有8核528線程，搭載了具有1TB/s硅光子互連的技術(shù)。目前，在英特爾官網(wǎng)在售的硅光器件包括英特爾硅光子技術(shù)100GCWDM4QSFP28光纖收發(fā)器、英特爾SiliconPhotonics400GFR4QSFP-DD光纖收發(fā)器等。

根據(jù)此前的媒體報(bào)道，臺(tái)積電曾聯(lián)合英偉達(dá)、博通等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)元件等新產(chǎn)品，制程技術(shù)從45nm延伸到7nm，最快今年下半年開始迎來大單，2025年有望邁入放量產(chǎn)出階段。而英偉達(dá)和博通等公司各自在硅光芯片方面也投入了很大的力量。英偉達(dá)方面，該公司2022年與AyarLabs合作開發(fā)帶外激光器與硅光互連方案；IEEEISSCC2024上，英偉達(dá)TomGray博士發(fā)表了硅基光電子技術(shù)在AI數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用和挑戰(zhàn)專題演講。

國(guó)際大廠投資硅光芯片的還有思科、Marvell、IBM等，另外硅光芯片賽道的初創(chuàng)企業(yè)也很活躍，包括AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence、Dustphotonics等，這些公司也有很強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，比如Dustphotonics推出了業(yè)界首款800G硅光子芯片。

結(jié)語

硅光芯片已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心、通信、激光雷達(dá)、傳感、高性能計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域彰顯出廣闊的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。Yole的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2022年到2028年全球硅光子芯片市場(chǎng)規(guī)模將以44%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，其中數(shù)通光模塊在硅光子芯片市場(chǎng)中占比將超過90%，并成為主要應(yīng)用場(chǎng)景。