随着AI模型持续迭代，算力(li)资源仍然趋紧，AI模型推理需求或将持续上升，蓬(peng)勃算力(li)需求正推动硅(gui)光(guang)芯片时代来临。
硅(gui)光(guang)技术何许人也？
光(guang)模块（Optical Modules）是实现光(guang)信号传输过程中光(guang)电转换和电光(guang)转换功能的光(guang)电子器件，是光(guang)通信中的重(zhong)要组成部分，光(guang)模块的产业发展趋势正向着“高速率、低成本、低功耗”发展。
硅(gui)光(guang)技术则将光(guang)通信的传输速率、集成度向更(geng)高水平推进，是满足不断发展的大数(shu)据、人工(gong)智能、未(wei)来移动通信等产业对高速通信需求的核心技术选择之一，并可应用于生医感测、量子运算、激光(guang)雷(lei)达等新兴的外延应用领域(yu)。
“芯片出光(guang)”是硅(gui)光(guang)技术核心理念，硅(gui)光(guang)技术利用成熟半导体CMOS工(gong)艺将光(guang)和电器件的开发与集成到同一个硅(gui)基衬底上，使光(guang)与电的处理深(shen)度融合到一块芯片上，真正实现“光(guang)互连”。与传统光(guang)电子相比(bi)，硅(gui)光(guang)具(ju)备集成度高、成本低、功耗低等显著优势。
硅(gui)光(guang)单片集成
资料来源:《硅(gui)基光(guang)电异质的集成与思考》
首先，硅(gui)光(guang)模块的光(guang)源成本相比(bi)较传统分立式(shi)方(fang)案能够(gou)大幅降(jiang)低。其中英特尔(er)的激光(guang)器方(fang)案采用异质集成方(fang)案，成本就比(bi)较低；目前大部分厂商的光(guang)源方(fang)案采用大功率CW光(guang)源，将传统EML激光(guang)器中的EA调制器功能转移到硅(gui)光(guang)芯片上，成本显著降(jiang)低。
同时，硅(gui)光(guang)芯片能够(gou)集成发射端的准直镜、波分复用器件等光(guang)器件，从而实现成本降(jiang)低。
并且通道数(shu)越多，硅(gui)光(guang)方(fang)案制造工(gong)艺成本越有优势。400G往800G和1.6T升级时，主流方(fang)案中的通道数(shu)从四通道升级到八(ba)通道，传统方(fang)案中制造工(gong)艺步骤大幅增加，成本显著增长，而硅(gui)光(guang)芯片只需要多设计四个通道，工(gong)艺上变化较小，成本较低。
传统和硅(gui)光(guang)模块的成本拆(chai)分对比(bi)
资料来源：CW-WDMMSA
同时，硅(gui)光(guang)芯片还使得电子元件与光(guang)学元件能够(gou)在同一芯片上集成，提高了集成度和系统性(xing)能。硅(gui)的折射率高达3.42，与二氧化硅(gui)可形成较大的折射率差，确(que)保硅(gui)波导具(ju)有较小的波导弯曲半径，从而减小器件尺寸(cun)并提高集成度。此外，硅(gui)对于波长为1.1~1.6微米的光(guang)波近(jin)乎无(wu)损透(tou)明(ming)，因此完全与光(guang)通信器件的1.3~1.6微米工(gong)作波段兼容。
此外，硅(gui)光(guang)技术有较高的带宽，能够(gou)在极小的波长范围内传输大量数(shu)据，相比(bi)传统的电传输技术，光(guang)传输能提供更(geng)高的数(shu)据传输速率和带宽，极大提升通信效率，这也意(yi)味(wei)着在数(shu)据中心和高性(xing)能计算中，使用硅(gui)光(guang)技术可以实现更(geng)低的传输延迟。
契机已至
2023之后开启量产
其实硅(gui)光(guang)技术并没有那么“新”。
早在1969年(nian)，贝尔(er)实验室提出硅(gui)光(guang)子技术。1985年(nian)，硅(gui)基光(guang)子集成电路(lu)（PIC）问世。1991年(nian)至1992年(nian)，在厚绝(jue)缘体上硅(gui)（SOI）工(gong)艺中实现了低损耗波导。在这个阶段，硅(gui)光(guang)子技术主要处于理论(lun)和实验研究(jiu)阶段，探索硅(gui)材(cai)料在光(guang)子学领域(yu)的应用可能性(xing)。相较于集成电路(lu)的成熟发展和规(gui)模化应用，硅(gui)光(guang)技术在诞生之后的30多年(nian)里发展一直相对缓慢，产业生态系统尚不成熟。
2000年(nian)至2009年(nian)，为硅(gui)光(guang)技术的技术突(tu)破阶段。硅(gui)光(guang)子技术开始取得一系列重(zhong)要的技术突(tu)破，PIC的组件数(shu)量开始增长，低损耗波导和多种光(guang)学器件的研发成功，为硅(gui)光(guang)子技术的进一步发展奠定了基础。2010年(nian)，英特尔(er)开发出首个50Gb/s超短(duan)距硅(gui)基集成光(guang)收发芯片，标志着硅(gui)光(guang)芯片开始进入产业化阶段，之后十余年(nian)间硅(gui)光(guang)技术进入集成应用时期。
2023年(nian)后，硅(gui)光(guang)迎来产业爆发契机。3月份，OpenAI正式(shi)发布GPT-4，参数(shu)量达到万亿级别。在全球大模型热潮下(xia)，算力(li)需求正呈指数(shu)级增长态势，驱动硅(gui)光(guang)需求不断上升。同时，海内外巨头公(gong)司瞄准硅(gui)光(guang)赛(sai)道收并购频发，科技巨头公(gong)司高度重(zhong)视硅(gui)光(guang)技术。目前投入研发的公(gong)司不仅包括Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago等光(guang)通信公(gong)司，Intel、IBM、思科、Imec等半导体厂商和华为等设备商也加入了这一领域(yu)的竞争。10月，Intel宣布将硅(gui)光(guang)子业务的可插(cha)拔模块部分出售给Jabil，专(zhuan)注于更(geng)高价值的组件业务和光(guang)学I/O解决方(fang)案。
2024年(nian)4月，台积电在2024年(nian)北美技术研讨会上概述了其3D光(guang)学引擎路(lu)线图，并制定了为全球带来高达12.8Tbps光(guang)学连接的计划。5月16日(ri)，中国光(guang)谷·光(guang)电子信息产业创新发展大会于中国光(guang)谷科技会展中心隆重(zhong)开幕，会上光(guang)迅科技展出了重(zhong)要技术里程碑的1.6TOSFP—XD硅(gui)光(guang)模块，其采用先进的CMOS技术实现高度集成、简化封装和大规(gui)模生产。这种基于硅(gui)光(guang)的光(guang)模块因其超高的传输速率和可靠性(xing)，可在数(shu)据中心和云(yun)计算等领域(yu)实现高速互连。
光(guang)迅科技1.6硅(gui)光(guang)模块
资料来源：光(guang)迅科技公(gong)众(zhong)号
近(jin)日(ri)，国家信息光(guang)电子创新中心和鹏城实验室的光(guang)电融合联合团队完成了2Tb/s硅(gui)光(guang)互连芯粒(li)的研制和功能验证，在国内首次验证了3D硅(gui)基光(guang)电芯粒(li)架构，实现了单片最高达8×256Gb/s的单向互连带宽。
市场空(kong)间有多大？
根据Yole官网，2022年(nian)全球硅(gui)光(guang)芯片市场空(kong)间为6800万美元，预计到2028年(nian)将增长到6亿美元以上，2022-2028年(nian)CAGR达44%。这一增长将主要受到800G高数(shu)据速率可插(cha)拔模块的推动。此外，快(kuai)速增长的训练数(shu)据集规(gui)模的预测表明(ming)，数(shu)据将需要在ML服务器中使用光(guang)学I/O来缩放ML模型。
而根据Light Counting资料显示，人工(gong)智能集群对光(guang)连接的需求激增，扭转了GaAs VCSEL市场份额下(xia)降(jiang)的趋势。英伟达购买(mai)了近(jin)200万个400GSR4和800GSR8光(guang)模块，并计划今年(nian)再购买(mai)400万个。
Light Counting预计基于GaAs和InP的光(guang)模块的市场份额将逐步下(xia)降(jiang)，而硅(gui)光(guang)子（SiP）和铌酸锂薄膜（TFLN）PIC的份额将有所上升。LPO和CPO的采用也将促进SiP甚(shen)至TFLN器件的市场份额增长。预计2029年(nian)，硅(gui)光(guang)芯片的销售额将达到30亿美元。
相关企(qi)业有哪些？
首先在硅(gui)光(guang)工(gong)艺设备方(fang)面，相比(bi)较传统光(guang)模块，硅(gui)光(guang)的组装工(gong)艺步骤大大简化，但硅(gui)光(guang)工(gong)艺的精度要求较高，主要是由于耦合损耗通常是硅(gui)光(guang)模块中较高的损耗组成部分。在400G及(ji)以上的光(guang)模块中，功耗是很重(zhong)要的性(xing)能参数(shu)之一，若耦合损耗较高，则光(guang)模块功耗会有明(ming)显增加，且耦合损耗掉的能量主要以热的形式(shi)消(xiao)耗掉，对散热的要求也会有一定的提升。
硅(gui)光(guang)模块的组装涉及(ji)到的高精度工(gong)艺主要包括，贴片、耦合和测试。硅(gui)光(guang)工(gong)艺设备中除了包括高精度的硬件，软(ruan)件和配套的技术支持也是非常重(zhong)要的组成部分。同时，在未(wei)来CPO光(guang)引擎、芯片间光(guang)互连等领域(yu)，对于硅(gui)光(guang)组装工(gong)艺的要求将会越来越高。
Ficontec是全球光(guang)子及(ji)半导体自动化封装和测试领域(yu)的领先设备制造商之一，在硅(gui)光(guang)封装设备领域(yu)具(ju)备较强的竞争力(li)。罗(luo)博特科目前间接持有Ficontec约18.82%的股权，未(wei)来或将收购剩余81.18%股权达到全资控股。
在硅(gui)光(guang)模块大功率CW光(guang)源方(fang)面，由于相比(bi)较传统的EML激光(guang)器，大功率CW激光(guang)器为硅(gui)光(guang)模块提供连续的光(guang)信号，光(guang)功率保持不变，将调制功能剥离到硅(gui)光(guang)芯片上的调制器上，这样(yang)既可以降(jiang)低激光(guang)器成本，也可以降(jiang)低光(guang)模块的失效比(bi)例，因此是硅(gui)光(guang)模块主要采用的激光(guang)器方(fang)案之一。包括源杰科技、仕佳光(guang)子等在内的国内多家光(guang)芯片公(gong)司都在布局，均推出了各种功率的CW光(guang)源产品。
硅(gui)光(guang)器件和硅(gui)光(guang)模块是硅(gui)光(guang)子产业链的主力(li)环节(jie)，头部厂商在硅(gui)光(guang)子技术的深(shen)度布局也将影响硅(gui)光(guang)产品的渗透(tou)率。此前硅(gui)光(guang)子技术推动者主要是海外巨头厂商，包括英特尔(er)、思科和Lumentum等。随着硅(gui)光(guang)子技术的不断发展，多家国内外厂商具(ju)备了硅(gui)光(guang)子技术的设计和封装等能力(li)，有望加速硅(gui)光(guang)子产品的渗透(tou)。
其中中际旭创是全球领先的光(guang)模块头部厂商，在硅(gui)光(guang)芯片领域(yu)深(shen)耕多年(nian)，公(gong)司在400G、800G等产品都有硅(gui)光(guang)产品的布局，有望在2025年(nian)能够(gou)实现批量化出货。
天孚(fu)通信的光(guang)引擎产品，既有传统分立式(shi)方(fang)案也有硅(gui)光(guang)方(fang)案。在硅(gui)光(guang)方(fang)案中，天孚(fu)通信既可以提供配套的FA连接器、MT产品、PM产品等光(guang)无(wu)源器件，也可以提供硅(gui)光(guang)封装工(gong)艺，具(ju)备较强的竞争力(li)。博创科技则与海外硅(gui)光(guang)芯片头部厂商保持深(shen)度合作，高速光(guang)模块具(ju)备较强优势。
此外还有硅(gui)光(guang)工(gong)艺代工(gong)厂，目前大部分硅(gui)光(guang)器件/模块厂商都会选择自己定制化芯片设计，然后将版图给到代工(gong)厂进行流片。当前中芯国际等厂商在布局硅(gui)光(guang)子技术。燕东微硅(gui)光(guang)工(gong)艺平台的一款光(guang)通信产品已实现工(gong)艺贯通，进入样(yang)品批试制阶段。