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硅光子芯片市场争夺愈发激烈!

导读: 硅光子技术是基于硅材料,利用现有CMOS工艺进行光器件开发与集成的新一代通信技术。 硅光子技术的核心理念是“以光代电”,将光学器件与电子元件整合到一个独立的微芯片中,利用激光作为信息传导介质,提升芯片间的连接速度。

硅光子技术是基于硅材料,利用现有CMOS工艺进行光器件开发与集成的新一代通信技术。

硅光子技术的核心理念是“以光代电”,将光学器件与电子元件整合到一个独立的微芯片中,利用激光作为信息传导介质,提升芯片间的连接速度。

随着流量的持续爆发,芯片层面的“光进铜退”将是大势所趋,硅光子技术有望实现规模商用化。

AI芯天下丨硅光子芯片市场争夺愈发激烈

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定义:初识硅光子技术

硅光子技术,是让光子作为信息载体,实现信号传输的安全性和可靠性,是一项面向未来的颠覆性、战略性和前瞻性技术。

集成电路的发展沿着摩尔定律已趋于极限,硅光子技术是超越摩尔研究领域的发展方向之一。

通过硅光集成,用光代替原来的电进行传输,成本有可能降低到原来的十分之一甚至更低。

2

需求:当下传统芯片到达天花板

随着物联网、大数据等应用的快速发展,全球数据流量呈快速增长态势,对传输的需求也逐渐提升。

目前,传统光模块主要利用III-V族半导体芯片、电路芯片、光学组件等器件封装而成,本质上属于“电互联”范畴。随着晶体管加工尺寸逐渐缩小,电互联将逐渐面临传输瓶颈。

目前,对于传统的三五族半导体光芯片,25Gbps已接近传输速率的瓶颈,进一步提升速率需要采用PAM4等技术。

随着高速光模块在数据中心的大量运用,传统III-V族半导体的光芯片将面临并行传输、三五族磊晶成本高昂等问题。

在此背景下,硅光子技术应运而生,成为III-V族半导体之外的一大选择。

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技术:超高精度+速度+市场的硅光子

硅光子是一种令人振奋的技术,是基于硅和硅基衬底材料(如 SiGe/Si、SOI 等),利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势,是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性,因而能够降低成本。

硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成,使用该技术的芯片中,电流从计算核心流出,到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤,到另一块芯片后再转换为电信号。

硅光子(SiP)实现廉价且规模生产的光连接,从根本上改变光器件和模块行业。

未来三五年内,这种情况还不会发生,但硅光子技术可能在下个十年证明它是破坏性。

基于硅光子的光连接与电子ASIC、光开关,或者(可能)新的量子计算设备的集成,将打开一个广阔的创新前沿。

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发展:硅光子芯片将呈现爆炸式成长

光子芯片主要是将无数个光学系统整合在芯片上,就如同现今的半导体芯片,但将利用超微透镜取代电晶体并以光子来进行运算。光子芯片与传统的半导体芯片相比,具有更高的运算效率以及讯息传输量,也兼具耗能低、运行过程中产生较少的热,所以无须复杂的散热设计等优点,因此被认为在未来可延续摩尔定律,传承旧有硅芯片的发展。

在众多光子技术中,硅光子及其相关技术凭借其使用成本较低的硅与硅基衬底材料,并结合既有且技术成熟的CMOS技术,使其极其受到青睐,自2015年IBM公司研制硅光学芯片后,使该技术呈现爆发式的成长,并使该技术自实验室走入市场,吸引微软、亚马逊及Facebook等公司的青睐,因为这些公司的数据中心常在云端资料连结并处理巨量的资料时,受限于传统的铜线以及低速光纤的传输量,造成运行效率低落。

预计到2022年,硅光子光收发器市场将超20亿美元,在全球光收发器市场中占比超20%。从出货量来看,到2022年,硅光子光收发器在总光收发器出货量中的占比将不到2.5%。这些产品中的大多数将是高端产品--100G或以上速率,因此定价也相对较高。

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竞争:世界硅光子产业正蓄势待发

由于这一技术未来将在数据通信、生化医疗、自动驾驶、国防安全等大显身手,硅光子技术正成为资本市场的宠儿,欧美一批传统集成电路和光电巨头通过并购,正迅速进入硅光子领域抢占高地,以传统半导体强国为主导的全球硅光子产业格局悄然成形。

光芯片无需改变二进制计算机的软件原理,但可以轻易实现极高的运算频率,同时能耗非常低,不需要复杂的散热装置。但因技术上的原因,直到21世纪初开始,以Intel和IBM为首的企业与学术机构率先重点发展硅芯片光学信号传输技术,期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。

在投入厂商方面,除Intel、IBM、思科等,因硅光子技术涵盖半导体技术与光学技术,加上此技术带来大量数据或讯息交换的应用,将会改变传统通讯产业运作模式,Mellanox 、Luxtera等光通信公司及设备商华为等公司皆投入相关研究。

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国内:曲折发展一路向前

2015年4月9日,美国商务部发布报告,决定拒绝英特尔向中国的国家超级计算广州中心出售至采用硅光子技术“至强”(XEON)芯片用于天河二号系统升级的申请;

对于突然实行至强芯片禁运的原因,美国方面给出的解释是这4家中国超算中心从事“违反”美国国家安全或外交政策利益的活动;

随即2016年3月7日,中兴通讯首度遭受美国商务部制裁,不仅不允许其在美国国内采购芯片,并要求供应商全面停止对中兴的技术支持,制裁条款整整实行的1年;在当时,美国著名硅光子公司ACACIA每年25%硅光子模块的产量都是销往中兴通讯。

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2017年,上海市政府将硅光子列入首批市级重大专项,投入大量经费,布局硅基光互连芯片研发和生产,目的打造硅光子芯片全产业链,掌握关键核心技术,让国内企业摆脱对国外光芯片供应商的依赖。

年底工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》中指出,目前高速率光芯片国产化率仅3%左右,要求在2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%,高端光电子芯片国产化率突破 20%。

到了2018年1月,国内第一个硅光子工艺平台在上海成立,可以提供综合集成技术的流片服务,流片器件及系统性能指标与国际最优水平相当,流片速度相比国外的流片代工线,速度快了一倍,只需3个月。

随着流量的持续爆发,芯片层面的“光进铜退”将是大势所趋,硅光子技术有望实现规模商用化。

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