盡管日前思科以26億美元收購硅光子公司Acacia一案再生變數(shù),且雙方爭執(zhí)的理由居然是“是否在合并協(xié)議規(guī)定的期限內(nèi)獲得中國國家市場監(jiān)督管理總局(SAMR)的批準”,但不可否認的是,隨著摩爾定律腳步的放緩,將光子和集成電路中的電子結(jié)合在一起,甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”,以實現(xiàn)對現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的重塑,正成為半導體行業(yè)數(shù)個“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一。
硅光子為什么引人關(guān)注?
要回答這個問題,就要先從光子集成電路技術(shù)(PIC,Photonic Integrated Circuit)談起。與我們熟知的基于硅材料的集成電路技術(shù)類似,PIC技術(shù)的核心,也是希望通過將很多的光學元器件集成在一個PIC單片之中,使得系統(tǒng)尺寸、功耗和可靠性得到大幅度提高,并同時降低系統(tǒng)成本。
但目前PIC所采用的基底材料主要是磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)、鈮酸鋰(LiNbO3)等,昂貴的價格嚴重制約了它們的商業(yè)化進程。考慮到光信號在被氧化硅包裹的硅中傳播時幾乎不會發(fā)生衰減,而且硅材料本身價格低廉且在半導體工藝中已實現(xiàn)成熟應(yīng)用,于是半導體巨頭紛紛把目光轉(zhuǎn)向硅光子,探討光子和電子結(jié)合的可能性,硅光子(Silicon Photonics)技術(shù)應(yīng)運而生。
所謂的硅光子技術(shù),就是在硅基上同時制造出電子器件和光子器件,將電子器件(Si-Ge量子器件、HBT、CMOS、射頻器件、隧道二極管等)、光子器件(激光器、探測器、光開關(guān)、光調(diào)制器等)、光波導回路集成在同一硅片或SoC上。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化,加上完善的溫控設(shè)計,可以大幅解決相干產(chǎn)品的缺陷和成本,進而下沉到核心與匯聚層。
這樣,當面對400G+網(wǎng)絡(luò)速率傳輸時,光學連接便可以開始進入新的階段,可插拔光學收發(fā)器將有望被取代。在新技術(shù)中,光子鏈路連接到同一封裝中的高性能IC,同時借助外部激光器提供光源。該封裝通過光纖連接到另一個采用光子鏈路的模塊,從而形成封裝到封裝高速互連,同時大幅降低功耗。
但很顯然,將電子接口、數(shù)字電路和高速模擬混合信號電路與光學元件組合在同一硅片上,并不是一件容易的事情。用格芯(GLOBALFOUNDRIES)硅光產(chǎn)品線副總裁Anthony Yu的話來說,就是“將其全部集成到硅中,然后便可充分利用硅制造技術(shù)的規(guī)模、成本和工藝控制優(yōu)勢,這樣的道理誰都明白,但在同一芯片上集成光子和RF CMOS電路是需要講求精妙平衡的?!?/p>
光進,銅退
根據(jù)Yole的預(yù)測,硅光光模塊市場將從2018年的約4.55億美元(相當于130萬個)增長到2024年的約40億美元(相當于2350萬個),復(fù)合年增長率達44.5%。而LightCouting的數(shù)據(jù)顯示,2022年,硅光子技術(shù)將在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越傳統(tǒng)光模塊預(yù)測。而到2024年,硅光光模塊市場市值將達65億美金,占比高達60%,而在2020年,這一數(shù)字僅為3.3%。
2017-2023年全球光模塊市場規(guī)模及結(jié)構(gòu)預(yù)測(資料來源:Lightcounting)
盡管目前壟斷高速數(shù)據(jù)傳輸市場的核心器件仍然是傳統(tǒng)光模塊。但得益于硅光子具有的高速數(shù)據(jù)傳輸、高帶寬以及低功耗等前景優(yōu)勢,當今的高性能計算、電信、軍事、國防、航空航天、醫(yī)療和研究應(yīng)用對其青睞有加,2021年有望成為硅光模塊加速出貨的第一年,市場正式啟動。
2020-2025年硅光核心應(yīng)用市場(圖片來源:格芯)
高性能計算
由于受到RC(電阻電容)延遲經(jīng)典物理效應(yīng)的限制,高性能計算行業(yè)正在迅速接近電氣I/O性能的實際極限。隨著計算帶寬需求不斷增長,電氣I/O的規(guī)模無法保持同步增長,從而形成了“I/O功耗墻”,限制了計算運行的可用能源。因此,硅光技術(shù)在片上互連、片間互連應(yīng)用中Pb/s量級的傳輸速率,被業(yè)界視作是“推動計算機光互連甚至是光計算的革命”。
打一個更形象的比喻,由于硅光的傳輸距離和數(shù)據(jù)傳輸速率是銅纜的6500倍和8倍以上,因此在400Gbps的傳輸速率下,硅光可支持長達32,808英尺(約10公里)的傳輸距離,超過了珠穆朗瑪峰的高度。
“現(xiàn)在是從電氣I/O遷移到光互連I/O的重要拐點”,英特爾首席工程師、英特爾研究院PHY研究實驗室主任James Jaussi表示,之所以現(xiàn)在需要遷移到光互連I/O,主要有兩個原因,一個是業(yè)界正在快速接近電氣性能的物理極限,一個是I/O功耗墻,會導致無法計算。
5G核心骨干網(wǎng)
5G時代,網(wǎng)絡(luò)端口接口速率全面提升,例如接入層接口速率已經(jīng)從6G/10G提升至25G;匯聚層接口速率從25G/50G提升至50G/100G;核心層接口速率從100G/200G提升至200G/400G,逐步引入硅光子技術(shù),對確保實現(xiàn)高速度大容量的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。
超大型數(shù)據(jù)中心
根據(jù)Equnix預(yù)測,2017年-2021年全球互聯(lián)網(wǎng)帶寬容量以48%的年復(fù)合增長率增長,2020年將正式進入400G時代,并有望于2022年進入800G時代。格芯方面提供的數(shù)據(jù)顯示,到2024年,由于CAGR高達44.5%,硅光收發(fā)器(包括基于III-V化合物半導體和硅光的模組)將占40億美元市場的大部分,硅光子技術(shù)對于提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的密度和能效具有至關(guān)重要的作用。
另一方面,高昂的成本也迫使產(chǎn)業(yè)界通過技術(shù)升級降低光模塊的單價。以一個擁有超過10萬臺服務(wù)器和5萬多個交換機的數(shù)據(jù)中心為例,它們之間的連接需要超100萬個光模塊,花費在1.5億美元至2.5億美元之間,占據(jù)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成本的60%,超過交換機、NIC和電纜等設(shè)備的總和。而硅光模塊雖然當前工藝難度大,封裝成本較高(約在1.5-2美元/GB),但其成本理論上有望降至0.3美元/GB,在規(guī)模量產(chǎn)情況下更具成本優(yōu)勢。
硅光市場的玩家們
硅光光模塊與傳統(tǒng)光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的主要區(qū)別在于光芯片部分,是高度集成的單芯片,而不是傳統(tǒng)的分離多器件的組合,其余產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)是相同的。其中,Intel走的是一體化IDM模式;代工廠如格芯、TSMC(臺積電)、Silex、APM和VTT,都在積極研發(fā)硅光子規(guī)模制造工藝;Luxtera、Sicoya、Rockley、Inphi、Acacia在硅基光電集成收發(fā)芯片的設(shè)計方面走的較為靠前。
近十年硅光產(chǎn)業(yè)主要收購情況(數(shù)據(jù)來源:賽迪智庫集成電路研究所,2020年3月)
Anthony Yu最近分享了一些關(guān)于格芯硅光業(yè)務(wù)的最新情況。他表示,格芯一直都在用其90nm平臺來滿足數(shù)據(jù)中心市場的需求,但未來的目標將是以TB/s級速率實現(xiàn)芯片到芯片互連,而“0.5Tbps/光纖這一行業(yè)最高單位光纖數(shù)據(jù)傳輸速率”和300mm晶圓量產(chǎn)優(yōu)勢,將是幫助格芯在硅光子市場“摧城拔寨”的兩把利器。
作為業(yè)內(nèi)為數(shù)不多的可提供硅光解決方案的晶圓廠,格芯開始涉足硅光業(yè)務(wù)的時間最早要追溯到2015年對IBM微電子業(yè)務(wù)的收購。之后,從2018年宣布基于90nm RF SOI工藝構(gòu)建硅光平臺90WG,到即將于2021年下半年完成生產(chǎn)工藝認證的45SPCLO單芯片技術(shù),并通過與Ayar Labs和MACOM等公司富有成效的合作,格芯已悄然成為硅光領(lǐng)域一股不可忽視的力量。
除了高速數(shù)據(jù)傳輸外,硅光子技術(shù)在AI計算領(lǐng)域的應(yīng)用同樣引人注目。在2020年舉行的Hot Chips 32大會上,初創(chuàng)公司Lightmatter就展示了用于通用人工智能加速的光子計算測試芯片。該芯片面積為150平方毫米,包含超過十億個FinFET晶體管、數(shù)萬個光子算數(shù)單元和數(shù)百個記錄設(shè)置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。其中,數(shù)字電路部分采用格芯12nm Leading-Performance FinFET工藝制造,運用Arm 3D網(wǎng)狀互連技術(shù),核心間數(shù)據(jù)通路更為直接,可降低延遲;光子芯片使用格芯90nm標準硅光子工藝實現(xiàn),可以實現(xiàn)8TOPS的峰值算力,整體芯片組的功耗為3W,能效比相比傳統(tǒng)基于CMOS工藝的數(shù)字芯片來說毫不遜色,展示了光計算未來的巨大潛力。
Lightmatter用于通用人工智能加速的光子計算測試芯片
再來看一下另一重量級玩家英特爾的最新進展。從2016年英特爾將其硅光子產(chǎn)品“100G PSM4”投入商用起,截止目前,英特爾已經(jīng)為客戶提供了超過400萬個100G的硅光子產(chǎn)品。而在2020年的英特爾研究院開放日活動上,英特爾又提出了“集成光電”愿景,即將光互連I/O直接集成到服務(wù)器和封裝中,對數(shù)據(jù)中心進行革新,實現(xiàn)1000倍提升,同時降低成本。
James Jaussi介紹了英特爾近期在集成光電五大“關(guān)鍵技術(shù)模塊”方面取得的重大創(chuàng)新,包括:
微型環(huán)調(diào)制器(micro-ring modulators):傳統(tǒng)的芯片調(diào)制器占用面積太大,與IC封裝在一起時成本很高。英特爾開發(fā)的微型環(huán)調(diào)制器將調(diào)制器尺寸縮小了1000倍以上,從而消除了將硅光子集成到計算封裝中的主要障礙。
全硅光電檢測器(all silicon photo detector):數(shù)十年來,業(yè)界一直認為硅材料沒有光檢測功能,但英特爾展示的研究結(jié)果證明事實并非如此。這一突破的一大好處就是讓成本更低。
集成半導體光學放大器:該設(shè)備通過使用與集成激光器相同的材料實現(xiàn),有助于降低總功耗。
集成多波長激光器(Integrated multi-wavelength lasers):使用一種稱為波分復(fù)用(wavelength division multiplexing)的技術(shù),將來自同一激光的不同波長用在同一光束中傳輸更多數(shù)據(jù)。這樣就能使用單根光纜來傳輸額外數(shù)據(jù),從而增加了帶寬密度。
集成:使用先進的封裝技術(shù)將硅光子與CMOS芯片緊密集成,可實現(xiàn)三大優(yōu)勢:(1)更低的功耗、(2)更高的帶寬和(3)更少的引腳數(shù)(pin count)。
我國目前在硅光領(lǐng)域開展布局的企業(yè)主要有華為、光迅科技、亨通光電、博創(chuàng)科技等。根據(jù)賽迪研究院集成電路研究所光電研究室研究員馬曉凱在《硅光,半導體的另一條賽道》一文中的介紹,2013年,華為收購比利時硅光子公司Caliopa,并且在英國建立了光芯片工廠發(fā)展硅光技術(shù);2017年,亨通光電與英國的硅光子企業(yè)洛克利合作,獲得多項硅光芯片技術(shù)許可,2020年3月10日發(fā)布了400G硅光模塊;2018年光迅科技聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心等單位聯(lián)合研制成功100G硅光收發(fā)芯片并正式投產(chǎn)使用,但是流片需要依靠國外;2020年博創(chuàng)科技與Sicoya公司合作,推出了高性價比的400G數(shù)據(jù)通信硅光模塊解決方案。
但他也在文中同時指出,我國硅光發(fā)展與發(fā)達國家仍存在差距。例如,在設(shè)計方面,架構(gòu)不夠完善,體積和性能平衡的問題沒有妥善解決;在制備方面,我國的硅光芯片大部分都需要國外代工,對外依賴度大;在封裝方面,硅光器件之間的耦合以及大密度集成仍然存在問題;在測試方面,高速儀器儀表還嚴重依賴國外,等等。為此,他提出三點建議:積極與下游廠商對接、增強企業(yè)垂直整合能力、做好長期投入的準備,助力我國硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。