巨頭押注的硅光芯片，這次真要來(lái)了？

時(shí)隔一年，又有新動(dòng)向。

被稱(chēng)作未來(lái)芯片的硅光芯片，最近又有了新進(jìn)展。

有報道稱(chēng)，臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶(hù)共同開(kāi)發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)元件（co-packaged optics，CPO）等新產(chǎn)品，制程技術(shù)從45nm延伸到7nm，最快明年下半年開(kāi)始迎來(lái)大單，并在2025年左右達到放量階段。

對于這則傳聞，臺積電表示，不回應客戶(hù)及產(chǎn)品狀況。不過(guò)臺積電高度看好硅光子技術(shù)在未來(lái)的場(chǎng)景。

而在近期的一場(chǎng)半導體座談會(huì )上，臺積電副總余振華也公開(kāi)透露了自己對硅光子技術(shù)的看法：“如果能提供一個(gè)良好的硅光子整合系統，就能解決能源效率和 AI 運算能力兩大關(guān)鍵問(wèn)題。這會(huì )是一個(gè)新的范式轉移。我們可能處于一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)端。”

臺積電硅光技術(shù)，到了哪一步？

所謂“硅光芯片”，是在硅的平臺上，將傳統芯片中的電晶體替換成光電元件，進(jìn)行電與光訊號的傳導。

對比傳統芯片會(huì )出現電訊號的丟失與耗損的情況，光訊號不僅損耗少，還實(shí)現更高頻寬和更快速度的數據處理。

因此，有人把硅光技術(shù)稱(chēng)作摩爾定律的“新解藥”。

單從曝光度來(lái)看，硅光芯片一直處在不溫不火的狀態(tài)，這讓很多人誤以為這是近些年才出現的新鮮事物。

但實(shí)際上，國外從上世紀80年代就開(kāi)始硅光技術(shù)和相關(guān)光通信技術(shù)的研究，也有部分廠(chǎng)商成功研發(fā)出一些產(chǎn)品。

到了近些年，硅光產(chǎn)業(yè)上下游市場(chǎng)的生態(tài)基本搭建完成，上游有新思、Cadence等EDA公司，中下游有臺積電、英特爾、英偉達、高塔半導體等知名半導體廠(chǎng)商。不過(guò)在商業(yè)化進(jìn)程上，硅光芯片還沒(méi)有一款算得上“出圈”的商業(yè)化產(chǎn)品。

因此余振華才提到了硅光子整合系統的想法。

對于臺積電來(lái)說(shuō)，此前在該領(lǐng)域主推的產(chǎn)品名為COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是可以降低功耗、提升帶寬。

去年曾有一則報道稱(chēng)，臺積電計劃在一項與英偉達深度合作的研發(fā)項目中嘗試使用，將多個(gè)AI GPU組合成一塊GPU。

該研發(fā)項目將持續數年時(shí)間，且必須等到硅光子生態(tài)系統成熟才算完成。

結合此次爆出的新聞，以及今年以來(lái)英偉達在高算力AI芯片上的布局來(lái)看，去年這個(gè)內部項目大概有了新的進(jìn)展。

不僅是英偉達，隨著(zhù)越來(lái)越多企業(yè)投入到硅光產(chǎn)品的研發(fā)，CPO封裝技術(shù)也會(huì )不斷突破。

硅光技術(shù)還有多久？

首先，硅光產(chǎn)品并沒(méi)有到大規模需求階段。雖然有自動(dòng)駕駛和數據中心兩大領(lǐng)域的需求，但目前還沒(méi)有主流芯片廠(chǎng)商推出高性能芯片。

其次，硅光產(chǎn)品需要考慮相對高昂的成本問(wèn)題。受限于大量光學(xué)器件，一個(gè)硅光器件需要采用各種材料，在缺乏大規模需求的情況下，硅光產(chǎn)品成為一種“高價(jià)、低性?xún)r(jià)比”的產(chǎn)品。同時(shí)，器件的性能與良品率難以得到保障。

最后，硅光芯片在打通各個(gè)環(huán)節還需要。例如設計環(huán)節，雖然已經(jīng)有EDA工具支持，但算不上專(zhuān)用；而在制造與封裝環(huán)節，類(lèi)似臺積電、三星等大型晶圓代工廠(chǎng)都沒(méi)有提供硅光工藝晶圓代工服務(wù)。即便是已經(jīng)推出COUPE技術(shù)的臺積電，短時(shí)間內會(huì )專(zhuān)注于封裝方案，很難勻出產(chǎn)能提供給硅光芯片。

事實(shí)上，不同廠(chǎng)商對于硅光產(chǎn)品的理解也各不相同。

以英偉達為例，在去年OFC 2022光纖通信會(huì )議上，英偉達首席科學(xué)家Bill Dally展示了一套硅光技術(shù)連接GPU系統的模型。

在這套模型中，英偉達選擇用DWDM單模光纖替代有限電纜，構建了連接GPU的交換機。在新模型下，雖然外部激光源占用了大量空間，但由于光的特性，因此設備之間的連接線(xiàn)纜可以更長(cháng)，最終讓整套模型的體積大大降低。

從產(chǎn)品思路來(lái)看，英偉達將激光信號設在了產(chǎn)品外部，而不是像其他廠(chǎng)商一樣將激光器嵌入芯片內部。

這一設計想法與硅光子初創(chuàng )公司Ayar Labs十分相似——他們在早期設計產(chǎn)品時(shí)決定將光源本身與光子芯片分開(kāi)。

此前，在接受外媒采訪(fǎng)時(shí)，Ayar Labs總裁兼首席技術(shù)官Mark Wade曾指出：“激光器的物理學(xué)與CMOS微電子的物理學(xué)是相互脫節的；它們不喜歡在高溫下工作，會(huì )迅速失去能效，其可靠性也會(huì )成指數級下降。

圖 | Ayar Labs的光學(xué)I/O芯片最終封裝模塊

值得一提的是，該公司在去年就正式宣布與英偉達合作開(kāi)發(fā)具有光學(xué)I/O的下一代AI運算基礎架構，并且英偉達還參與到Ayar Labs的融資中。

從兩家公司的描述來(lái)看，臺積電的封裝技術(shù)有極大可能用在這項新的AI架構上。

當然，英偉達的產(chǎn)品思路并不代表硅光芯片的最終形態(tài)，其他老牌廠(chǎng)商同樣有各自的產(chǎn)品思路。

例如格芯，在全年宣布與博通、思科、Marvell等廠(chǎng)商合作推出新一代硅光平臺GF Fotonix，在12英寸的晶圓上，實(shí)現光子元件、射頻和高性能CMOS的單芯片集成，單根光纖提供高達每秒半太比特 (Tb/s) 的數據速率，這是所有代工廠(chǎng)產(chǎn)品中最快的數據速率。

而作為硅光賽道真正的老大哥——英特爾的產(chǎn)品不僅種類(lèi)最多，同時(shí)也是少數擁有IDM能力的半導體企業(yè)。

在近幾年的展會(huì )上，英特爾陸續展示了800Gbps的硅光發(fā)送器、CPO技術(shù)以及與英偉達不同設計的光學(xué)I/O。

另外一家在硅光產(chǎn)業(yè)比較出名的是思科，他們在今年OFC 2023的一場(chǎng)閉門(mén)會(huì )議上展示了其最新版本的CPO解決方案，與傳統的可插拔模塊相比大幅降低了功耗（高達30%），也算得上目前頂尖的CPO解決方案。

圖 | 硅光產(chǎn)業(yè)鏈

在國內，同樣有多家企業(yè)瞄準硅光賽道。

可以說(shuō)，硅光賽道正進(jìn)入一個(gè)“百花齊放”的階段。

寫(xiě)在最后

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，硅光子技術(shù)已經(jīng)逐步打通了生態(tài)鏈，下一步就是向商業(yè)化邁進(jìn)。

在先進(jìn)制程不斷接近摩爾定律限制的背景下，硅光芯片能再次吸引來(lái)市場(chǎng)的目光，靠著(zhù)還是本身出色的特性。

而隨著(zhù)臺積電相關(guān)封裝技術(shù)的不斷完善，硅光芯片未來(lái)大規模產(chǎn)業(yè)化也變成了可能。

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