臺積電押注硅光芯片，預計2025年進入大批量生產

  ICC訊 據報道，臺積電已經組建一支約200人的研發(fā)團隊，專注于推進硅光子技術和應用。據稱，臺積電還在與博通和英偉達等大客戶進行談判，共同開發(fā)以該技術為中心的應用。相關制程技術覆蓋45nm至7nm，預計相關產品最早于2024年下半年獲得訂單，2025年將進入大批量生產階段。

  什么是硅光子技術

  硅光子技術用激光束代替電子信號傳輸數據，是一種基于硅光子學的低成本、高速的光通信技術。英特爾實驗室通過混合硅激光器技術的集成激光器，首次實現(xiàn)了基于硅光子的數據連接。

  硅光子技術利用標準硅實現(xiàn)計算機和其它電子設備之間的光信息發(fā)送和接收。與晶體管主要依賴于普通硅材料不同，硅光子技術采用的基礎材料是玻璃。由于玻璃對于光來說是透明的，不會發(fā)生干擾現(xiàn)象，因此理論上可以通過在玻璃中集成光波導通路來傳輸信號，很適合于計算機內部和多核之間的大規(guī)模通信。硅光子技術最大的優(yōu)勢在于擁有相當高的傳輸速率，可使處理器內核之間的數據傳輸速度快100倍甚至更高。

  激光傳輸一般包括兩個終端站和一個中繼站，由光纖作為線路。每個終端站都有一個光端機，其中發(fā)送設備的功能主要是產生激光，把電信號變換成為光信號，即電/光轉換。接收設備主要是光檢測和放大，把光信號轉換為電信號，即光/電轉換。中繼站則把接收的光信號變?yōu)殡娦盘?，經過判決再生處理，又把電信號轉換為光信號發(fā)送出去。

  其實，硅光子技術誕生已久。早在1969年，美國的貝爾實驗室的S.E.Miller首次提出了集成光學的概念，但是由于InP波導的高損耗和工藝落后難以實現(xiàn)大規(guī)模集成，這一技術在當時未能掀起波瀾。

  21世紀初，以英特爾和IBM為首的企業(yè)與學術機構開始重點發(fā)展硅芯片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數據電路，以延續(xù)摩爾定律。

  2006年，英特爾和加州大學圣芭芭拉分校成功研發(fā)出世界上首款采用標準硅工藝制造的電子混合硅激光器。2008年，英特爾推出“雪崩硅激光探測器”，它一舉將硅光子技術的增益帶寬積提升到340GHz。2010年，英特爾開發(fā)出首個50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開始進入產業(yè)化階段。

  隨后，歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購迅速進入硅光子領域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領域布局最全面的公司。

  硅光子能解決AI能效和算力問題

  硅光芯片是一種利用硅基材料和工藝，將光電子器件集成在同一芯片上的新型集成電路。硅光芯片主要由調制器、探測器、無源波導器件等組成，它可以將多種光器件集成在同一硅基襯底上，實現(xiàn)光信號的產生、傳輸、控制和檢測等功能。

  硅光芯片是以光子和電子為信息載體的硅基光電子大規(guī)模集成技術，能夠大大提高集成芯片的性能，是大數據、人工智能、未來移動通信等新興產業(yè)的基礎性支撐技術，可廣泛應用于大數據中心、5G、物聯(lián)網等產業(yè)。

  此前，硅光子技術并沒有受到過多重視，其中一個原因是導入過程中面臨的工藝難度和成本考量。另外芯片行業(yè)之前并沒有那么迫切的需要更高效率的芯片連和高算力、高帶寬。如今，以大模型和生成式AI為代表，AI已經席卷整個科技界，而AI掀起技術狂潮實際上也帶來了諸多的挑戰(zhàn)，尤其是在半導體技術上，而硅光子技術卻能解決這些難題。

  硅光子技術可以將電換成傳輸速度更快的光，實現(xiàn)更快的傳輸速率、更遠的傳輸距離以及更低的功耗和延遲。理論上，當我們將光學接口與CPU和GPU封裝在一起，能夠有效擴展GPU間的帶寬，同時節(jié)省能耗和面積，真正將數百臺服務器作為一個巨型的GPU。

  臺積電系統(tǒng)集成探路副總裁余振華此前表示：“如果我們能夠提供良好的硅光子整合系統(tǒng)，我們就可以解決AI的能源效率和計算能力的關鍵問題。這將是一個新的范式轉變，我們可能處于一個新時代的開端?！彼f：“一個更好、更集成的硅光子系統(tǒng)是運行大型語言模型和其他人工智能計算應用程序所需的強大計算能力的驅動力。”

  小結

  近些年人工智能，尤其是大語言模型的發(fā)展，對芯片提出了更高的要求。硅光子技術憑借高傳輸速率、高能效比、超低延遲等諸多優(yōu)勢，成為業(yè)界關注的重點。雖然目前而言，硅光芯片在設計、制造上仍存在一些挑戰(zhàn)，然而其在解決AI算力瓶頸上的突出優(yōu)勢，仍然吸引著眾多大廠潛心研究。