光芯片步入“黃金時(shí)代”

  ICC訊  曾在與電子芯片競(jìng)爭(zhēng)中落后的光子芯片，正在崛起。

  近段時(shí)間以來(lái)，英特爾和英偉達(dá)投資Ayar Labs，華為入股微源光子及長(zhǎng)光華芯，格芯推出新硅光子技術(shù)，新思科技成立OpenLight公司等等，頭部大廠一系列舉動(dòng)都正在將行業(yè)目光聚焦到“光芯片”賽道。

  隨著5G、AIoT、云計(jì)算等各項(xiàng)應(yīng)用的逐步落地，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心光電轉(zhuǎn)換必需的器件——光模塊迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在多平面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的，新一代數(shù)據(jù)中心對(duì)光模塊的需求量增加了65倍。

  LightCounting的預(yù)測(cè)顯示，全球光模塊的市場(chǎng)規(guī)模將在未來(lái)5年以CAGR 14%保持增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2026年達(dá)到176億美元。

  全球光模塊細(xì)分市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

  (圖源：LightCounting)

  其中，光芯片的性能直接決定光模塊的傳輸速率，是產(chǎn)業(yè)鏈核心之一。以光通信產(chǎn)業(yè)鏈為例，光芯片位于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，占據(jù)光模塊成本的50%以上，是整個(gè)光通訊產(chǎn)業(yè)鏈條中技術(shù)最復(fù)雜、價(jià)值最高的環(huán)節(jié)。

  光通信產(chǎn)業(yè)鏈

  光芯片迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇

  半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，微電子技術(shù)大致遵循著“摩爾定律”快速發(fā)展，隨著信息技術(shù)的不斷拓寬和深入，芯片的工藝制程已減小到?5nm?以下，但由此帶來(lái)的串?dāng)_、發(fā)熱和高功耗問(wèn)題愈發(fā)成為微電子技術(shù)難以解決的瓶頸。

  同時(shí)，在現(xiàn)有馮諾依曼計(jì)算系統(tǒng)采用存儲(chǔ)和運(yùn)算分離的架構(gòu)下，存在“存儲(chǔ)墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴(yán)重制約系統(tǒng)算力和能效的提升。此外，處理器與內(nèi)存之間、處理器與處理器之間信息交互的速度嚴(yán)重滯后于處理器計(jì)算速度，訪存與I/O瓶頸導(dǎo)致處理器計(jì)算性能有時(shí)只能發(fā)揮出10%，這對(duì)計(jì)算發(fā)展形成了極大制約。

  電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，繼續(xù)在電子計(jì)算技術(shù)范式上尋求突破口步履維艱。在面向“后摩爾時(shí)代”的潛在顛覆性技術(shù)里，光芯片已進(jìn)入人們的視野。

  光芯片，一般是由化合物半導(dǎo)體材料(InP和GaAs等)所制造，通過(guò)內(nèi)部能級(jí)躍遷過(guò)程伴隨的光子的產(chǎn)生和吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。

  微電子芯片采用電流信號(hào)來(lái)作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來(lái)作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光芯片展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲、以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

  此外，光互聯(lián)還可以通過(guò)使用多種復(fù)用方式(例如波分復(fù)用WDM、模分互用MDM等)來(lái)提高傳輸媒質(zhì)內(nèi)的通信容量。因此，建立在集成光路基礎(chǔ)上的片上光互聯(lián)被認(rèn)為是一種極具潛力的技術(shù)，能夠有效突破傳統(tǒng)集成電路物理極限上的瓶頸。

  光子芯片展望

  回顧光芯片發(fā)展歷程，早在1969年美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室就已經(jīng)提出了集成光學(xué)的概念。但因技術(shù)和商用化方面的原因，直到21世紀(jì)初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)才開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)傳輸技術(shù)，期望能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。

  近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，包括硅、氮化硅、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用于研發(fā)單片集成或混合集成的光子芯片。

  在過(guò)去數(shù)年里，光子集成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了許多進(jìn)展和突破。

  據(jù)了解，目前純光子器件已能作為獨(dú)立的功能模塊使用，但是，由于光子本身難以靈活控制光路開(kāi)關(guān)，也不能作為類(lèi)似微電子器件的存儲(chǔ)單元，純光子器件自身難以實(shí)現(xiàn)完整的信息處理功能，依然需借助電子器件實(shí)現(xiàn)。因此，完美意義上的純“光子芯片”仍處于概念階段，尚未形成可實(shí)用的系統(tǒng)。嚴(yán)格意義上講，當(dāng)前的“光子芯片”應(yīng)該是指集成了光子器件或光子功能單元的光電融合芯片，仍存在無(wú)法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調(diào)制器等問(wèn)題。

  光子集成電路雖然目前仍處于初級(jí)發(fā)展階段，不過(guò)其成為光器件的主流發(fā)展趨勢(shì)已成必然。光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運(yùn)用電子芯片先進(jìn)的制造工藝及模塊化技術(shù)，結(jié)合光子和電子優(yōu)勢(shì)的硅光技術(shù)將是未來(lái)的主流形態(tài)。

  硅基光電子集成芯片概念圖

  高速數(shù)據(jù)處理和傳輸構(gòu)成了現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的兩大支柱，而光芯片將信息和傳輸和計(jì)算提供一個(gè)重要的連接平臺(tái)，可以大幅降低信息連接所需的成本、復(fù)雜性和功率損耗。隨著光芯片技術(shù)的發(fā)展迭代，大型云計(jì)算廠商和一些企業(yè)客戶(hù)的需求都在從100G過(guò)渡到400G，400GbE的數(shù)據(jù)通信模塊出貨量翻了一倍，在2021年達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的水平。

  由此可見(jiàn)，光器件行業(yè)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都在持續(xù)向滿(mǎn)足更高速率、更低功耗、更低成本等方向演進(jìn)升級(jí)，800G及更高速率產(chǎn)品也逐漸開(kāi)始使用，不同細(xì)分領(lǐng)域都面臨新技術(shù)的迭代和升級(jí)。

  迄今為止，硅光子商業(yè)化較為成熟的領(lǐng)域主要在于數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長(zhǎng)距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等光連接領(lǐng)域，800G及以后硅光模塊性?xún)r(jià)比較為突出。此外，Yole認(rèn)為未來(lái)幾年內(nèi)增長(zhǎng)最快的將是汽車(chē)激光雷達(dá)、消費(fèi)者健康和光子計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用。

  光芯片賽道“高手云集”

  光芯片的廣闊市場(chǎng)前景自然吸引了眾多廠商“搶食”。

  從市場(chǎng)格局來(lái)看，美國(guó)是硅光子領(lǐng)域起步最早也是發(fā)展最好的國(guó)家，1991年美國(guó)便成立了“美國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)振興會(huì)”，以引導(dǎo)資本和各方力量進(jìn)入光電子領(lǐng)域。2014年，美國(guó)又建立了“國(guó)家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計(jì)劃開(kāi)發(fā)。

  歐洲和日本也在跟進(jìn)，中國(guó)大概在2010年以后開(kāi)始入局光芯片賽道。另外，新加坡的IME也是較早建立硅光子工藝的平臺(tái)之一，為行業(yè)的發(fā)展作出了不小的貢獻(xiàn)。

  從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展看，全球光芯片產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐漸成熟，從基礎(chǔ)研發(fā)到制造工藝再到商業(yè)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)均有代表性企業(yè)。其中以英特爾、思科、英偉達(dá)、格芯等為代表的企業(yè)占據(jù)了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業(yè)內(nèi)領(lǐng)頭羊。

  英特爾：光芯片賽道“領(lǐng)頭羊”

  雖然是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的光芯片技術(shù)的概念，但將其發(fā)揚(yáng)光大的卻是英特爾。

  英特爾從20多年前就開(kāi)始進(jìn)行硅光子學(xué)研究，直到2016年才將其第一批硅光子光學(xué)收發(fā)器投入使用，標(biāo)志著光子集成真正進(jìn)入到主流應(yīng)用領(lǐng)域。

  英特爾第一個(gè)產(chǎn)品是100G PSM4 QSFP，在并行單模光纖上具有2公里的距離，并且在發(fā)射器芯片上具有磷化銦層，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)混合激光器和用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光的調(diào)制器和光電檢測(cè)器以將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該方案通過(guò)提供快速、可靠和經(jīng)濟(jì)高效的連接能力而提供巨大的價(jià)值。

  2017年下半年英特爾開(kāi)始大批量供應(yīng)100G產(chǎn)品;2018年英特爾將其100G硅光收發(fā)器產(chǎn)品組合擴(kuò)展到數(shù)據(jù)中心之外進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)邊緣，公布了為加速新的5G應(yīng)用場(chǎng)景和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移而優(yōu)化的新硅光產(chǎn)品;同年，英特爾還展示出了其400G硅光能力;2020年英特爾開(kāi)始開(kāi)發(fā)其200G FR4和400G DR4光學(xué)收發(fā)器...

  據(jù)知乎博主“溜達(dá)兔”介紹，從2016年英特爾將其硅光子產(chǎn)品“100G PSM4”投入商用起，截止目前，英特爾已經(jīng)為客戶(hù)提供了超過(guò)400萬(wàn)個(gè)100G的硅光子產(chǎn)品。而在2020年的英特爾研究院開(kāi)放日活動(dòng)上，英特爾又提出了“集成光電”愿景，即將光互連I/O直接集成到服務(wù)器和封裝中，對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行革新，實(shí)現(xiàn)1000倍提升，同時(shí)降低成本。

  在高速網(wǎng)絡(luò)交換芯片市場(chǎng)，英特爾正在力推Tofino方案，其中包括了自研的硅光子技術(shù)和高級(jí)封裝技術(shù)，即光電共封技術(shù)(co-packaged，CPO)。

  光電共封就是把將光芯片和電芯片(交換芯片)焊接在同一個(gè)基板上，芯片之間采用光連接，對(duì)于高速芯片來(lái)說(shuō)，可以解決功耗，散熱，和端口密度等問(wèn)題。英特爾為可編程以太網(wǎng)交換機(jī)芯片技術(shù)而收購(gòu)Barefoot時(shí)，顯然也是考慮到了光電共封CPO技術(shù)。

  目前，英特爾已經(jīng)能做到在CMOS芯片緊密集成的單一技術(shù)平臺(tái)上，將多波長(zhǎng)激光器、半導(dǎo)體光學(xué)放大器、全硅光電檢測(cè)器以及微型環(huán)調(diào)制器集成到一起，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)集成光子器件模塊芯片的量產(chǎn)應(yīng)用。

  在今年OFC會(huì)議上，英特爾展示了其可靠的InP激光器、240Gbps的微環(huán)調(diào)制器及其控制電路。在這些核心IP的基礎(chǔ)上，英特爾演示了800G的硅光發(fā)送器，并展示了其在CPO與Optical I/O的布局，三個(gè)方向都在穩(wěn)步向前推進(jìn)。

  英特爾800G硅光模塊示意圖

  綜合來(lái)看，英特爾在硅光產(chǎn)品線(xiàn)的整體布局如下圖所示，包括Transceiver, CPO和Opitcal I/O，其帶寬與能效比也是逐步提升。

  相對(duì)于其他采用代工廠的品牌來(lái)說(shuō)，英特爾的優(yōu)勢(shì)還在于其一直走的都是一體化IDM模式，按照英特爾的說(shuō)法，“英特爾是唯一一家在軟件、硅和平臺(tái)、封裝和工藝方面具有深度和廣度的公司?！?

  此外，對(duì)高塔半導(dǎo)體(Tower Semiconductor)的收購(gòu)又填補(bǔ)了英特爾在光子芯片領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。今年1月份，高塔半導(dǎo)體聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備公司瞻博網(wǎng)絡(luò)(Juniper Networks)推出硅光子代工工藝，可將III-V族激光器、半導(dǎo)體光放大器(SOA)、電吸收調(diào)制器(EAM)和光電探測(cè)器與硅光子器件共同集成在一顆單芯片上，構(gòu)成尺寸更小、具有更多通道數(shù)且更節(jié)能的光學(xué)架構(gòu)和解決方案。

  憑借英特爾在硅光子工藝和封裝技術(shù)領(lǐng)域的積累，未來(lái)或?qū)?huì)成為該領(lǐng)域的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

  Ayar Labs：光芯片賽道明星初創(chuàng)公司

  除了自研之外，英特爾還在持續(xù)入股相關(guān)公司。近期投資了光芯片行業(yè)明星初創(chuàng)企業(yè)Ayar Labs。

  據(jù)介紹，Ayar Labs的光學(xué)I/O解決方案消除了與系統(tǒng)帶寬、功耗、延遲和范圍相關(guān)的瓶頸，顯著改進(jìn)了現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)，并為人工智能、高性能計(jì)算、云、電信、航空航天和遙感應(yīng)用。據(jù)透露，Ayar Labs已經(jīng)批量出貨了第一批產(chǎn)品，預(yù)計(jì)到今年年底將出貨數(shù)千個(gè)封裝內(nèi)的光學(xué)互連芯片。

  Ayar Labs的專(zhuān)利技術(shù)采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硅加工工藝，開(kāi)發(fā)了高速、高密度、低功耗的光互連芯片和激光器，以取代傳統(tǒng)的電學(xué)I/O互連。Ayar Labs的高度差異化技術(shù)對(duì)于支持未來(lái)的高性能計(jì)算架構(gòu)至關(guān)重要。

  此外，為Ayar打開(kāi)錢(qián)包的還有英偉達(dá)、惠普、應(yīng)用材料以及芯片制造商格芯等科技公司和十幾家投資公司的支持，Ayar與格芯攜手開(kāi)發(fā)了許多關(guān)鍵封裝技術(shù)，其中包括銅柱技術(shù)和V型槽光纖連接技術(shù)等。

  博通：CPO技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈

  博通(Broadcom)是全球領(lǐng)先的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信半導(dǎo)體公司，也是VCSEL芯片的主要供應(yīng)商之一。在光學(xué)數(shù)據(jù)通訊市場(chǎng)產(chǎn)品供應(yīng)豐富，包括光纖接收器、嵌入式光學(xué)模組以及自適應(yīng)光纜等。

  博通去年初發(fā)布了兩款支持光電共封(Co-Packaged Optics簡(jiǎn)稱(chēng)CPO)技術(shù)的下一代交換ASIC芯片概念，首款25.6Tb Humboldt芯片預(yù)計(jì)在2022年年底推出，51.2Tbps芯片Bailly則將于2023年后發(fā)布。博通同時(shí)宣布計(jì)劃推出基于硅光技術(shù)的支持與DSP合封的800G DR8 可插拔光模塊，以及下一步與CPU和GPU共封的計(jì)劃。

  可以看到，在頂級(jí)高端交換芯片領(lǐng)域的光電共封CPO技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)將越來(lái)越激烈。

  思科：收購(gòu)入局

  思科于2012年、2019年收購(gòu)Lightwire、Luxtera(硅光市占率35%)及Acacia公司，快速布局硅光領(lǐng)域，成為了收發(fā)器、交換機(jī)和通用共同封裝光學(xué)器件硅光子學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。

  目前思科使用臺(tái)積電來(lái)滿(mǎn)足他們的一些光子學(xué)需求，思科還與英特爾、格芯在制造方面建立了合作伙伴關(guān)系。

  Lightwire在CMOS纖維光學(xué)和封裝設(shè)計(jì)方面擁有專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)將多種高速主動(dòng)和被動(dòng)光纖功能整合到一小塊硅基片上的方式在光纖互聯(lián)領(lǐng)域取得一些創(chuàng)新成果;

  Luxtera曾研發(fā)世界第一款CMOS光子器件，為最早推出商用級(jí)硅光集成產(chǎn)品的廠商之一，2015年發(fā)布100G PSM4硅光子芯片;

  Acacia 400G硅光模塊方案主要是將分離光器件集成為硅光芯片的基礎(chǔ)上再與自研DSP電芯片互聯(lián)，最終外接激光器進(jìn)行封裝，已于2020年開(kāi)始送樣給客戶(hù)。

  英偉達(dá)：以光器件破局

  由于收購(gòu)了Mellanox，英偉達(dá)成為了頂級(jí)網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商。此外，英偉達(dá)還收購(gòu)了一些光子學(xué)公司，包括瑞典的OptiGOT，同時(shí)還為Infiniband網(wǎng)絡(luò)中使用的光子收發(fā)器進(jìn)行了一些設(shè)計(jì)。英偉達(dá)擁有用于交換機(jī)的完整IP陣列，由于其作為AI訓(xùn)練和加速計(jì)算的領(lǐng)先公司，他們遇到了與計(jì)算應(yīng)用程序相關(guān)的最難的I/O功率擴(kuò)展問(wèn)題。

  由于新的人工智能模型在參數(shù)數(shù)量上的爆炸式增長(zhǎng)，英偉達(dá)在性能和功率方面陷入了困境，需要共同封裝的光學(xué)器件才能繼續(xù)在AI中擴(kuò)展。

  英偉達(dá)之前曾提出過(guò)與共封裝光子學(xué)相關(guān)的研究，直到2019年英偉達(dá)宣布以69億美元的價(jià)格收購(gòu)光纖互連領(lǐng)軍者M(jìn)ellanox。于Mellanox在2013年收購(gòu)Kotura時(shí)所獲得的技術(shù)，此次交易將為英偉達(dá)帶來(lái)硅光子產(chǎn)品組合，使數(shù)據(jù)處理和互連構(gòu)成同一解決方案的組成部分。

  格芯：光子技術(shù)代工“佼佼者”

  在工藝方面，格芯(GlobalFoundries)是硅光子技術(shù)方面的投入程度可能是幾家主流代工廠中最積極的。

  格芯從數(shù)年前就開(kāi)始積極布局，目前能提供先進(jìn)的硅光子工藝平臺(tái)，包括各種光波導(dǎo)、相移器、極化器、光二極管等等，除了硅光子工藝之外，格芯還提供高級(jí)封裝選項(xiàng)，幫助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)CPO技術(shù)。

  前不久，格芯推出新一代硅光子平臺(tái)Fotonix，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)復(fù)雜工藝整合至單個(gè)芯片的功能，把光子系統(tǒng)、射頻組件和CMOS集成到同一塊芯片上。格芯將300mm光子學(xué)特性和300Ghz級(jí)別的RF-CMOS工藝集成到硅片上的平臺(tái)，可以提供一流、大規(guī)模的性能。

  據(jù)公布資料顯示，目前其Fotonix平臺(tái)的客戶(hù)包括Broadcom、Marvell、Nvidia、Synopsys、Cisco等硅光子領(lǐng)域的重要廠商，以及 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 等光子技術(shù)廠商，未來(lái)前景大有可觀。

  GF Fotonix 解決方案將在格芯位于紐約州馬耳他的先進(jìn)制造廠中生產(chǎn)，為客戶(hù)提供參考設(shè)計(jì)套件、MPW、測(cè)試、晶圓廠前端和后端服務(wù)、交鑰匙和半導(dǎo)體制造服務(wù)，幫助客戶(hù)更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。格芯允許客戶(hù)在芯片上封裝更多產(chǎn)品功能并“簡(jiǎn)化他們的材料清單”，GF Fotonix 也支持各種芯片封裝解決方案，包括用于更大光纖陣列的無(wú)源附件、2.5D 封裝和片上激光器。

  格芯是目前唯一能提供 300mm 單芯片硅光解決方案的純晶圓代工廠，該解決方案展示了出色的單位光纖數(shù)據(jù)傳輸速率(0.5Tbps/光纖)。這樣可以構(gòu)建 1.6-3.2Tbps 的光學(xué)小芯片，從而提供更快速高效的數(shù)據(jù)傳輸，并帶來(lái)更好的信號(hào)完整性。此外，由于系統(tǒng)誤碼率降低到了萬(wàn)分之一，它還能夠支持下一代人工智能。

  Ayar Labs 首席執(zhí)行官 Charles Wuischpard 也指出，在創(chuàng)立早期就已經(jīng)與格芯在 GF Fotonix 開(kāi)發(fā)方面展開(kāi)合作，從集成 PDK 和工藝優(yōu)化，到展示第一顆可以工作芯片，Ayar Labs 的單芯片電子/光子解決方案與 GF Fotonix 相結(jié)合，打開(kāi)了芯片之間的光學(xué) I/O 市場(chǎng)的巨大的機(jī)遇，為年底之前批量生產(chǎn)做好了準(zhǔn)備。

  除了格芯外，高塔半導(dǎo)體推出了PH18DA制造工藝，能夠降低成本，提高功率效率，并簡(jiǎn)化封裝;臺(tái)積電也推出了用于硅光子芯片的先進(jìn)封裝技術(shù)——COUPE(緊湊型通用光子引擎)異構(gòu)集成技術(shù)。但相比起定位于全球領(lǐng)先的硅光子代工廠的格芯和擁有自己硅光代工平臺(tái)的英特爾，其它代工廠商的布局仍稍顯不足。

  新思科技：生態(tài)系統(tǒng)的“加速器”

  由于涉及大量復(fù)雜的混合信號(hào)，光子代工過(guò)程非常困難，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的工作原理也非常困難。Synopsys、Cadence和Ansys等廠商與制造廠合作進(jìn)行PDK開(kāi)發(fā)和仿真是創(chuàng)建強(qiáng)大的設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

  以新思科技(Synopsys)為例，其光電統(tǒng)一的芯片設(shè)計(jì)解決方案 OptoCompiler 可助力開(kāi)發(fā)者更好地在 硅光平臺(tái)上進(jìn)行創(chuàng)新，可為光子芯片提供完整的端到端設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和簽核解決方案。OptoCompiler 將成熟的專(zhuān)用光子技術(shù)與業(yè)界領(lǐng)先的仿真和物理驗(yàn)證工具相結(jié)合，開(kāi)發(fā)者能夠?qū)?fù)雜的光子芯片進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

  近期，新思科技與瞻博網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合成立了面向硅光子市場(chǎng)的 OpenLight 公司，旨在加速高性能光子集成電路的開(kāi)發(fā)，OpenLight將其激光集成作為其技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，希望能夠吸引那些希望為硅光子應(yīng)用生產(chǎn)芯片的客戶(hù)。

  OpenLight技術(shù)已通過(guò)Tower Semiconductor的PH18DA制造工藝的資格和可靠性測(cè)試，通過(guò)將用于半導(dǎo)體激光器的磷化銦材料直接加工到硅光子芯片上。

  中國(guó)光芯片產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展與出路

  反觀國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，近些年在下游需求大幅擴(kuò)張的帶動(dòng)下，國(guó)內(nèi)廠商通過(guò)技術(shù)研發(fā)、對(duì)外收購(gòu)等多種方式嘗試打造中國(guó)的光芯片產(chǎn)業(yè)。

  工信部2017年底發(fā)布的《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖(2018—2022年)》指出，目前高速率光芯片國(guó)產(chǎn)化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)60%，高端光電子芯片國(guó)產(chǎn)化率突破20%。

  資料來(lái)源：中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖(2018-2022年)

  從上圖可以看到，國(guó)產(chǎn)高端光芯片的缺失給行業(yè)帶來(lái)了巨大發(fā)展機(jī)會(huì)。在政策支持下，我國(guó)光芯片行業(yè)發(fā)展迅速。尤其近年來(lái)，國(guó)際局勢(shì)不穩(wěn)，國(guó)外斷供國(guó)內(nèi)芯片的事件頻頻發(fā)生，國(guó)產(chǎn)替代也便成為了近年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體業(yè)界的熱門(mén)話(huà)題，依靠國(guó)內(nèi)部分光芯片龍頭企業(yè)的不斷發(fā)力，在50G/400G等PAM4光模塊產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較大突破，已先后推出了50G QSFP28 PAM4 LR、400G QSFP-DDSR8等產(chǎn)品，后續(xù)50G QSFP28 BIDI/ER以及400G QSFP-DD DR4/FR4也將陸續(xù)發(fā)布。

  據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前本土光芯片/光模塊廠商主要有：芯思杰、瑞識(shí)科技、新亮智能、度亙激光、長(zhǎng)瑞光電、立芯光電、源杰半導(dǎo)體、銳晶激光、索爾思光電、長(zhǎng)光華芯、華工科技、光迅科技、新易盛、云嶺光電、敏芯半導(dǎo)體、博創(chuàng)科技、中際旭創(chuàng)、縱慧芯光、曦智科技、劍橋科技、凌越光電、盛為芯等企業(yè)。

  此外，國(guó)內(nèi)通信龍頭企業(yè)華為也在積極布局光芯片賽道。

  據(jù)投資界信息，2012年，華為收購(gòu)英國(guó)集成光子研究中心CIP Technologies，開(kāi)啟了光芯片領(lǐng)域的探索;次年，華為又出手收購(gòu)一家比利時(shí)硅光技術(shù)開(kāi)發(fā)商Caliopa，完善自身在光芯片領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。

  而后自2019年下半年開(kāi)始，華為再次集中投資光電芯片企業(yè)，一度掀起國(guó)內(nèi)光芯片投資熱潮。今年3月，華為又投了另一家光電芯片企業(yè)——縱慧芯光。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，華為投資布局版圖涉及十余家光芯片產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)。

  2020年2月，華為還在倫敦發(fā)布了800G可調(diào)超高速光模塊。據(jù)介紹，該產(chǎn)品支持200G-800G速率靈活調(diào)節(jié);單纖容量達(dá)到48T，對(duì)比業(yè)界方案高出40%;基于華為信道匹配算法，傳輸距離相比業(yè)界提升20%。這款產(chǎn)品被應(yīng)用在全系列的華為OptiXtrans光傳送產(chǎn)品中，是華為光網(wǎng)絡(luò)頂級(jí)競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分。

  去年4月，華為還公布了一項(xiàng)關(guān)于光學(xué)芯片的專(zhuān)利，名為“耦合光的光學(xué)芯片及制造方法”，專(zhuān)利中不僅提供了一種用于在光學(xué)芯片與另一光學(xué)器件之間耦合光的光學(xué)芯片，同時(shí)還提供了制造這種光學(xué)芯片的方法，甚至還包含了對(duì)晶圓的切割、蝕刻。

  一系列動(dòng)作也能看到華為在光芯片賽道的專(zhuān)注與堅(jiān)持。換句話(huà)說(shuō)，華為確信光芯片是未來(lái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)之光。

  雖然國(guó)產(chǎn)廠商進(jìn)入該領(lǐng)域較晚，市場(chǎng)份額相對(duì)較小。但是通過(guò)近年來(lái)在技術(shù)上的快速追趕，國(guó)內(nèi)已經(jīng)掌握光芯片核心技術(shù)的廠商隊(duì)伍不斷壯大，與國(guó)外廠商在技術(shù)上的差距已經(jīng)是越來(lái)越小。

  據(jù)維科網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究中心的統(tǒng)計(jì)，過(guò)去八年間，國(guó)內(nèi)光芯片市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)從8億美元攀升至20.8億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約17.3%。同時(shí)，根據(jù)我國(guó)在5G、數(shù)據(jù)中心、“西數(shù)東算”、“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，預(yù)計(jì)2022年國(guó)內(nèi)光芯片市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大至24億美元。

  對(duì)我國(guó)而言，既要在傳統(tǒng)賽道電子芯片領(lǐng)域盡快補(bǔ)短板，也要盡早在光子芯片等新賽道布局發(fā)力。雙管齊下，努力抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機(jī)遇。

  寫(xiě)在最后

  光芯片，已成為當(dāng)前業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是創(chuàng)投圈最吸金的賽道之一。

  隨著摩爾定律腳步的放緩，探索新的技術(shù)已經(jīng)成為目前半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)。將光子和集成電路的電子結(jié)合在一起，甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的重塑，正成為半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)個(gè)“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一。

  正如陜西光電子先導(dǎo)院執(zhí)行院長(zhǎng)米磊所言：“迎著智能化曙光，未來(lái)將掀起光子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的革命，類(lèi)似于從電子工業(yè)的晶體管邁入集成電路時(shí)代的技術(shù)革命，集成光路將是半導(dǎo)體領(lǐng)域60年一遇的“換道超車(chē)”的重要機(jī)遇?！?

  本文轉(zhuǎn)載自：半導(dǎo)體行業(yè)觀察 作者：李晨光