三十年沉浮，曙光已現(xiàn)，硅光技術的發(fā)展與思考

  ICC訊 硅光的概念早在20世紀90年代初便已被提出，但相較于集成電路的成熟發(fā)展和規(guī)模化應用，其在誕生之后的30多年里發(fā)展一直相對緩慢，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尚不成熟。究其核心原因，在于尚沒有巨大的應用場景驅動。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，社會對于信息獲取與處理效率的需求持續(xù)攀升，但摩爾定律失效在即，硅光技術正憑借其在高通量、高能效比、超低延遲、低成本等方面的突出優(yōu)勢，成為確定性的技術發(fā)展趨勢。

  核心觀點：

  目前，硅光產(chǎn)業(yè)正處于前期擴張階段，在光通信尤其是數(shù)通短距場景已取得局部商業(yè)成功，正在逐步拓展至光傳感、光計算等新興應用領域;

  片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業(yè)化成功的應用;

  硅光工藝領域，光電封裝或將是發(fā)展最快的賽道，而共封裝光學(CPO)是最值得關注的技術方向;

  硅光產(chǎn)業(yè)的基礎是硅光生態(tài)，若要推動萬億產(chǎn)業(yè)市場的落地，不僅需要應用側的拉動，更需要底層生態(tài)的建設，尤其是工藝平臺的建設至關重要。

  一、硅光產(chǎn)業(yè)綜述

  硅光技術是以硅和硅基襯底材料(如SiGe/Si、SOI等)作為光學介質(zhì)，通過互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容的集成電路工藝制造相應的光子器件和光電器件(包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測器、光波導器件等)，并利用這些器件對光子進行發(fā)射、傳輸、檢測和處理，以實現(xiàn)其在光通信、光傳感、光計算等領域中的實際應用。如20世紀70年代的微電子技術一般，硅光產(chǎn)業(yè)正處于前期擴張階段，未來更是有望成為媲美集成電路龐大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，拉動萬億市場。正因如此，諸如Intel、IBM、Oracle、中興通訊等著名的半導體企業(yè)和信息技術企業(yè)，正投入大量的人力和財力推進硅光的產(chǎn)業(yè)化。這其中的標志性事件，便是注重規(guī)模效應的晶圓代工公司GlobalFoundries(格羅方德，業(yè)內(nèi)簡稱“格芯”)于今年3月份推出了硅光子平臺Fotonix，以此布局90WG和45CLO工藝節(jié)點以及封裝工藝，平臺合作伙伴包括4家頂級光子收發(fā)器供應商中的3家、5家頂級網(wǎng)絡公司中的4家、4家領先的EDA和仿真公司中的3家，以及一些最有前途的基于光子學的初創(chuàng)公司。在需求與資源投入的雙重驅動之下，近幾年硅光產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，根據(jù)知名半導體分析機構Yole的預測，硅光市場將從2020年的約0.87億美元增長到2025年的約11億美元，復合年增長率達49%。目前，硅光在光通信尤其是數(shù)通短距場景已取得局部商業(yè)成功，正在逐步拓展至光傳感、光計算等新興應用領域，尤其是光傳感領域的可穿戴健康監(jiān)測芯片，隨著健康監(jiān)測版本Apple Watch的發(fā)布，硅光將陸續(xù)打開市場局面并保持高速增長。

數(shù)據(jù)來源：Silicon Photonics 2021 rep

  二、硅光的應用場景

  光通信領域——硅光芯片的主要應用場景。目前，產(chǎn)業(yè)內(nèi)已基本建立了面向數(shù)據(jù)中心、光纖傳輸、5G承載網(wǎng)、光接入等市場的系列硅光通信產(chǎn)品解決方案，其中數(shù)據(jù)中心光通信是硅光的最大市場，微軟的內(nèi)部數(shù)據(jù)中心互連有超過40%是基于硅光芯片實現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心場景下，CSP和云提供商(諸如Facebook、Apple、騰訊等)正轉向大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，Capex支出持續(xù)提升以支持客戶的高帶寬需求，通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代，而且迭代周期持續(xù)縮短。在此背景下，傳統(tǒng)的可插拔光模塊在性價比及功耗方面已然“捉襟見肘”，而高集成高速硅光芯片由于在潛在降價空間與功耗方面有明顯優(yōu)勢，則成為更優(yōu)越的選項。市場的選擇是最好的證明，目前100G硅光模塊已局部商業(yè)成功，雖然400G、800G硅光模塊滲透率不會有顯著增長，但業(yè)內(nèi)的共識是通信速率至1.6T階段硅光模塊應用將明顯起量。當然，尚需關注硅光技術尤其是CPO封裝技術的發(fā)展所帶來的性價比提升程度。此外，在5G承載網(wǎng)市場中，5G前傳(電信側光模塊)是硅光技術的又一市場增長點，Intel已針對5G前傳發(fā)布具有擴展工作溫度范圍的100G收發(fā)器，支持在-40℃~85℃的工作溫度范圍內(nèi)通過單模光纖實現(xiàn)10km鏈路。雖然滲透率的節(jié)奏很難有明確判斷，但硅光趨勢的確定性毋庸置疑。Intel作為硅光領域的帶頭企業(yè)，已然搶占硅光通信40%以上的市場份額;Cisco、Marvell、Broadcom等通信光模塊頭部企業(yè)則基于并購模式布局硅光模塊業(yè)務;國內(nèi)企業(yè)中，華為(海思)、海信寬帶(Hisense)、旭創(chuàng)科技(Innolignt)、亨通光電、光迅科技(Accelink)等光模塊廠商陸續(xù)推出硅光通信模塊，旭創(chuàng)科技成立硅光業(yè)務事業(yè)部并且發(fā)展迅速，亨通光電則與英國洛克利公司(Rockley Photonics)合資成立“亨通洛克利”來布局硅光產(chǎn)品。此外，諸如熹聯(lián)光芯、賽勒光電、羲禾科技、雨數(shù)光科等大批創(chuàng)業(yè)企業(yè)也紛紛涌入硅光賽道，但目前尚待高速率通信應用市場成熟，尤其是1.6T等更高速率光模塊市場高速發(fā)展。光傳感領域——應用場景眾多且迭代迅速，硅光發(fā)展?jié)摿薮蟆，F(xiàn)階段來看，面向自動駕駛的激光雷達硅光芯片以及面向消費者健康監(jiān)測及診斷的硅光芯片將是重要增長點。自動駕駛已然是國際公認的未來發(fā)展的重點方向之一，而基于激光雷達的自動駕駛方案生態(tài)更為完善，本質(zhì)在于冗余設計至關重要，且激光雷達可以感知長尾問題，但性價比與車規(guī)要求限制了激光雷達的車載應用節(jié)奏。經(jīng)過市場篩選，基于硅光的OPA+FMCW方案的全固態(tài)激光雷達(LiDAR)，成為了學術界與產(chǎn)業(yè)界皆公認的終局方案，市場潛力巨大。正因如此，目前國內(nèi)的洛微科技、摩爾芯光等基于硅光的激光雷達創(chuàng)業(yè)企業(yè)，備受資本青睞。在生物傳感領域，硅光集成方案逐步在多個場景落地，譬如Surfix基于硅光集成方案實現(xiàn)快速高精度核酸檢測、Aryballe開發(fā)出微型硅光子人造鼻以此識別氣味“指紋”等等，而目前公認最有市場前景的當屬可穿戴設備。

  據(jù)悉，2022年或2023年，Apple與英國洛克利公司(Rockley Photonics)將合作推出集成了片上光譜儀的Apple Watch。此外，Amazon、Microsoft、Facebook、Google、騰訊等紛紛入局，國內(nèi)也涌現(xiàn)許多片上光譜儀創(chuàng)業(yè)企業(yè)，如與光科技、求是光譜等等。Yole判斷，隨著健康監(jiān)測版本Apple Watch的發(fā)布，用于健康監(jiān)測的光傳感芯片市場將保持高速增長。未來，硅光生物傳感芯片也可廣泛應用于低成本、小尺寸的醫(yī)療設備，并有望在2026年超過硅光通信的市場規(guī)模。

  隨著摩爾定律的失效，光計算與硅光概念同時被關注。目前電子計算面臨存算、I/O、功耗三大瓶頸問題，逐漸難以滿足超高速、低延遲的海量數(shù)據(jù)處理需求，光計算基于光子作為玻色子在傳輸方面的天然優(yōu)勢與多維信息處理優(yōu)勢，成為下一代計算范式的理想選擇，而硅光集成則是光計算商業(yè)化落地的基本前提。目前備受關注的光計算細分方向主要為基于硅光的神經(jīng)網(wǎng)絡AI處理器芯片與光互連，需要說明的是，光互連雖然基于光通信原理，但解決的是光計算I/O問題，故暫且將其歸于光計算領域。受限于計算規(guī)模、計算精度及算法生態(tài)等方面的限制，光電融合計算仍是主要計算方案，但也尚未產(chǎn)業(yè)化應用。

  短期內(nèi)，片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業(yè)化成功的應用。目前，Intel數(shù)據(jù)中心已采用片間光互連提高計算效能，NVIDIA也將與Ayar Labs合作將光學I/O應用于AI/HPC架構。Ayar Lab是光互連賽道的主要創(chuàng)業(yè)公司，持續(xù)融資已超過2億美元，B輪估值為11.375億美元，C輪估值估計已超過20億美元，投資方包括Intel、NVIDIA、Global Foundries等。據(jù)悉，光計算創(chuàng)業(yè)企業(yè)曦智科技也將推出光互連相關產(chǎn)品。此外，光量子計算本質(zhì)也屬于光計算范疇，但光量子計算落地周期樂觀預計仍需5~10年左右，短期內(nèi)無法拉動硅光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

  三、硅光的發(fā)展生態(tài)

數(shù)據(jù)來源：Silicon Photonics 2021 report，Yole

  硅光產(chǎn)業(yè)是大勢所趨，應用場景側的市場空間潛力令人激動，但回歸制造業(yè)本質(zhì)，硅光產(chǎn)業(yè)的基礎是硅光生態(tài)，若要推動萬億產(chǎn)業(yè)市場的落地，不僅需要應用側的拉動，更需要底層工藝生態(tài)的建設。目前硅光產(chǎn)業(yè)面臨的關鍵問題，在于工藝平臺尚不成熟、硅基有源器件難以實現(xiàn)以及納米尺寸硅光技術路徑尚未收斂等等，尤其是工藝平臺的建設至關重要。以集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史為對照，其各個重要里程碑節(jié)點始終伴隨半導體工藝的優(yōu)化發(fā)展。因此，布局硅光工藝平臺是硅光應用持續(xù)滲透的關鍵。廣義的硅光工藝平臺包括設計工具、加工、封裝等工藝全鏈路。工藝生態(tài)的建設將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長期目標，譬如硅光設計工具尚未統(tǒng)一、半導體CMOS工藝無法支撐大規(guī)模集成、硅光芯片差異化設計增加工藝監(jiān)測與優(yōu)化難度等問題，都需要更多資源投入。我國目前已布局多條工藝與量產(chǎn)產(chǎn)線，主要為中科院微電子所硅光工藝平臺、中科院微系統(tǒng)所硅光工藝平臺、重慶聯(lián)合微電子中心，此外商業(yè)化晶圓代工廠譬如燕東、中芯國際也已在布局硅光工藝研發(fā)，加速硅光量產(chǎn)進程。我們判斷，光電封裝或將是發(fā)展最快的賽道，而共封裝光學(CPO)是最值得關注的技術方向。根據(jù)國外市場調(diào)研機構CIR的數(shù)據(jù)，到2027年，共封裝光學(CPO)市場收入將達到54億美元?？v觀硅光產(chǎn)業(yè)生態(tài)，從工藝到應用，在Intel、Cisco、Juniper等領軍企業(yè)的持續(xù)大力投入之下，硅光全產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，技術標準相繼形成，已逐漸從學術研究驅動轉變?yōu)槭袌鲂枨篁寗拥牧夹匝h(huán)。在學術界、產(chǎn)業(yè)界的大力推動布局之下，硅光將有望在未來20~30年發(fā)展成為媲美集成電路的龐大產(chǎn)業(yè)。就國內(nèi)而言，尚需投入更多資源布局底層工藝生態(tài)，并扶持硅光設計公司開拓應用，以期在硅光賽道構建競爭優(yōu)勢，實現(xiàn)芯片領域的彎道超車。