硅光芯片（Silicon Photonic Chip）是基于硅材料制造的一種新型集成芯片,，它將傳統(tǒng)的電子器件與光學器件結合,，實現(xiàn)了光信號的產(chǎn)生,、傳輸,、調(diào)制和探測等功能。這一技術的核心價值在于其能夠突破傳統(tǒng)電子芯片在帶寬,、功耗和延遲上的物理極限,，為下一代信息技術提供全新的解決方案。
據(jù)Yole報告,，2023 年，硅基 PIC（芯片）市場規(guī)模為 9500 萬美元,，預計到 2029 年將增長至 8.63 億美元以上,，復合年增長率 (CAGR2023-2029) 為 45%。
硅光芯片的發(fā)展可以追溯到20世紀60年代,，當時美國貝爾實驗室首次提出“集成光學”的概念,。然而,，在此后的幾十年里，由于工藝技術的限制以及市場需求的不足,，硅光芯片始終未能走出實驗室階段,。直到進入21世紀，隨著CMOS工藝的成熟和數(shù)據(jù)中心需求的爆發(fā),，硅光芯片才逐漸從理論研究轉向產(chǎn)業(yè)化探索,。英特爾、IBM等科技巨頭的加入,，更是推動了這一技術的快速發(fā)展,。
近年來，AI大模型訓練,、高性能計算和5G通信等新興場景對數(shù)據(jù)傳輸速率和能效比提出了更高要求,，進一步加速了硅光芯片的技術迭代。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的分析,，硅光子技術正逐步從高端市場向消費級市場滲透,，成為繼CMOS之后最具潛力的技術平臺之一。
產(chǎn)業(yè)格局
硅光子產(chǎn)業(yè)格局由多元化參與者組成：積極參與硅光子行業(yè)的主要垂直整合參與者（例如Innolight,、思科,、Marvell、Broadcom,、Coherent,、Lumentum、Eoptolink）,；初創(chuàng)企業(yè) / 設計公司（Xphor,、DustPhotonics、NewPhotonics,、OpenLight,、POET Technologies、Centera,、AyarLabs,、Lightmatter、Lightelligence,、Nubis Communications）,；研究機構（例如 UCSB、哥倫比亞大學,、斯坦福工程學院,、麻省理工學院）；代工廠（例如 Tower Semiconductor,、GlobalFoundries,、AMF (Advanced Micro Foundry),、imec、臺積電,、CompoundTek）,；以及設備供應商（例如 Applied Materials、ASML,、Aixtron,、ficonTEC、Mycronic Vanguard Automation,、Shincron）,。所有這些參與者都為顯著的增長和多樣化做出了貢獻。
英特爾是最早研究硅光的巨頭廠商之一,，其研究硅光子技術已經(jīng)超過30年,。英特爾稱，從2016 年推出硅光子平臺后,，已出貨超過 800 萬個光子集成電路（PIC）和超過 320 萬個集成片上激光器,，這些產(chǎn)品被很多大型云服務提供商采用。
英特爾的硅光技術,，是用CMOS 制造工藝,，把激光器、調(diào)制器,、探測器等光學器件與電路集成在同一塊硅基片上,，實現(xiàn)電子與光學結合。它支持波分復用（WDM）技術,，能讓單條光纖同時傳輸多種波長的光信號,，還有高效的光電轉換技術，使硅光模塊在數(shù)據(jù)中心等場景能提供高性能互連,。
其之前推出的100G 和 400G 硅光模塊已經(jīng)大規(guī)模商用,，它正在跟云計算巨頭、網(wǎng)絡設備商合作,，推動硅光技術標準化和普及,。
在去年3月的OFC（光纖通信大會）上，英特爾展示了OCI（光計算互聯(lián)）chiplet,，就是把一枚硅光芯片die和一片CPU die封裝在一起,，組成一個系統(tǒng)，演示的是兩顆CPU靠光纖通信,。
在這個過程中,，OCI chiplet負責把CPU的電信號轉成光信號。英特爾在博客文章里提到,，基于英特爾硅光子技術完全集成的OCI chiplet,，雙向傳輸速率能達到4Tbps，在數(shù)十米距離內(nèi),，單向支持64個32Gbps數(shù)據(jù)通道,，上層協(xié)議跟PCIe Gen 5兼容。
雖說這一技術尚未進入量產(chǎn),，但這則演示顯然是給出了硅光集成技術未來發(fā)展的可能性的,。而且不單是Intel，近一年開始探討光通信技術的企業(yè)至少還包括了英偉達,、Synopsys等上下游市場參與者,。
在去年的GTC大會上，英偉達宣布,，臺積電和Synopsys將采用 英偉達的計算光刻平臺進行生產(chǎn),，以加速制造并突破下一代先進半導體芯片的物理極限。
臺積電和新思科技已決定在其軟件,、制造工藝和系統(tǒng)中集成英偉達的cuLitho 計算光刻平臺,，加快芯片制造速度，并在未來支持最新一代英偉達 Blackwell 架構 GPU,。
黃仁勛表示：“計算光刻技術是芯片制造的基石,。我們與臺積電和新思科技合作研發(fā)的 cuLitho 技術，旨在應用加速計算和生成式人工智能,，為半導體微縮開辟新的前沿,。”
英偉達還推出了新的生成式AI 算法,，增強了 GPU 加速計算光刻庫 cuLitho,，與當前基于 CPU 的方法相比，顯著改善了半導體制造工藝,。
而在今年的GTC大會上,，英偉達又推出 Spectrum-X Photonics，推出一體式封裝光學網(wǎng)絡交換機,，將 AI 工廠擴展至數(shù)百萬 GPU,。與傳統(tǒng)方法相比，它們集成了光學創(chuàng)新技術,，激光器數(shù)量減少了4 倍,，從而實現(xiàn)了 3.5 倍的能效提升、63 倍的信號完整性提升,、10 倍的大規(guī)模網(wǎng)絡彈性以及 1.3 倍的部署速度,。
黃仁勛表示：“AI 工廠是一種具有超大規(guī)模的新型數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡基礎設施必須進行徹底改造才能跟上步伐,。通過將硅光子技術直接集成到交換機中,，英偉達 正在打破超大規(guī)模和企業(yè)網(wǎng)絡的舊有限制,，并開啟通往百萬 GPU AI 工廠的大門?！?/p>
在數(shù)據(jù)通信市場,，英特爾以61%的市場份額領跑，思科,、博通和其他小公司緊隨其后,。在電信領域，思科（Acacia）占據(jù)了近50%的市場份額,，Lumentum（Neophotonics）和Marvel（Inphi）緊隨其后,，相干可插拔ZR/ZR+模 塊推動了電信硅光市場的發(fā)展。在目前市場競爭中,，中國廠商份額較少,，但國內(nèi)的中際旭創(chuàng)、新易盛,、光迅科技,、博創(chuàng)科技、銘普光磁,、亨通光電等開始參與競爭,， 推出了400G、800G甚至1.6T的硅光模塊,，旭創(chuàng)1.6T硅光模塊更是采用自研硅光芯片并已處于市場導入期,。
去年9月，九峰山實驗室成功點亮集成到硅基芯片內(nèi)部的激光光源,，實現(xiàn)了國內(nèi)首次“芯片出光”技術突破,。這一技術采用自研異質(zhì)集成工藝，在8寸SOI晶圓內(nèi)部完成了磷化銦激光器的工藝集成,，利用光信號替代傳統(tǒng)電信號進行高速傳輸,。這一突破不僅標志著中國在硅光芯片領域的自主研發(fā)能力邁上新臺階，也為未來大規(guī)模商用奠定了基礎,。
背后驅動力
硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化進程,，正在重塑全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈的權力結構。其之所以能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的跨越,，離不開其背后的核心驅動力,。
硅光芯片的最大優(yōu)勢在于其與現(xiàn)有CMOS工藝的高度兼容性。其核心競爭力在于其與現(xiàn)有半導體制造工藝的高度兼容性,。傳統(tǒng)光通信器件往往需要復雜的分立組裝工藝,，而硅光芯片通過與CMOS工藝結合，能夠直接利用現(xiàn)有的晶圓生產(chǎn)線進行大規(guī)模制造。這種兼容性不僅大幅降低了生產(chǎn)成本,，還使得硅光芯片可以無縫融入現(xiàn)有的半導體供應鏈,。
此外，新材料體系的應用也為硅光芯片的功能拓展提供了更多可能性,。磷化銦（InP）,、鈮酸鋰（LiNbO3）等材料的引入，彌補了硅本身作為發(fā)光材料的不足,，進一步提升了芯片的性能。
隨著人工智能,、大數(shù)據(jù)和高性能計算需求的快速增長,，傳統(tǒng)電子芯片在帶寬、功耗和延遲方面的瓶頸逐漸顯現(xiàn),。尤其是在AI大模型訓練和推理場景中,，海量數(shù)據(jù)的處理需求對芯片的算力和能效提出了前所未有的挑戰(zhàn)。硅光芯片憑借其高帶寬,、低延遲和高能效比特性,，成為解決這一難題的關鍵工具。
數(shù)據(jù)中心是硅光芯片最重要的應用場景之一,。據(jù)統(tǒng)計,，全球數(shù)據(jù)中心每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量已達到澤字節(jié)（Zettabyte）級別，傳統(tǒng)的銅纜連接方式在長距離傳輸中面臨嚴重的信號衰減問題,，而光纖通信雖然具備高帶寬優(yōu)勢,，但其高昂的成本限制了大規(guī)模普及。硅光芯片通過將光電轉換功能集成到單一芯片上,，既保留了光纖通信的高帶寬特性,，又大幅降低了系統(tǒng)復雜性和部署成本。以800G光模塊為例,，采用硅光技術的產(chǎn)品相比傳統(tǒng)方案可節(jié)省約30%的功耗,，同時體積縮小40%以上。這些優(yōu)勢使其成為云計算廠商和電信運營商的首選方案,。
全面開花
盡管硅光芯片最初主要應用于數(shù)據(jù)中心和長距離通信等高端市場,，但隨著技術的成熟和成本的下降，其應用場景正在迅速擴展至多個新興領域,。硅光子技術正逐步成為智能駕駛,、光計算及消費電子領域突破性創(chuàng)新的核心驅動力。
在智能駕駛領域,，硅光固態(tài)激光雷達技術路線被視為實現(xiàn)大規(guī)模商用的關鍵路徑,。當前激光雷達多依賴分立器件集成，面臨成本高、體積大,、功耗及可靠性不足等瓶頸,，而硅光芯片化方案通過CMOS工藝兼容的高密度集成，顯著降低了系統(tǒng)復雜度與制造成本,。具體而言,，硅基相控陣與光開關陣列兩種固態(tài)激光雷達方案，憑借其小型化,、抗振動特性,，正推動激光雷達從機械式向全固態(tài)演進。
Mobileye推出的硅光子激光雷達SoC（系統(tǒng)級芯片）采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術,，計劃于今年落地,。該方案將多路激光發(fā)射、接收與信號處理單元集成于單一硅基芯片,，體積縮小至傳統(tǒng)機械式雷達的1/10,，同時成本降低至數(shù)百美元級別，滿足車規(guī)級可靠性要求,。
不僅如此,，硅光子技術在光計算領域的潛力同樣備受關注。隨著算力需求激增與傳統(tǒng)電子計算的能效瓶頸凸顯,，光計算憑借其并行處理,、低功耗及抗干擾優(yōu)勢，成為突破馮·諾依曼架構限制的前沿方向,。硅光平臺依托成熟的半導體工藝,，能夠實現(xiàn)光波導、調(diào)制器等核心元件的納米級集成,，為光量子計算芯片提供高密度,、可編程的硬件基礎。硅基波導可穩(wěn)定生成與操控光子糾纏態(tài),，而可編程光開關陣列支持量子態(tài)的高效路由,。文獻顯示，硅光芯片已實現(xiàn)128模態(tài)的高斯玻色采樣,，集成度較分立器件方案提升50倍,，驗證了其在量子比特擴展中的可行性。這一進展被視作光量子計算走向實用化的重要里程碑,。
在消費電子領域,，硅光子技術的高集成特性完美契合了設備小型化趨勢?？纱┐髟O備,、生物醫(yī)療傳感器等場景對空間利用率要求嚴苛,，而硅光芯片可在微米尺度內(nèi)整合光源、探測器與信號處理單元,，顯著提升功能密度,。其在微型化光譜分析、健康監(jiān)測等場景的應用正逐步從實驗室走向商業(yè)化,。Meta與硅光芯片廠商合作開發(fā)的光學模組,，通過集成硅光調(diào)制器和波導，將圖像傳輸功耗降低40%,，同時支持8K分辨率輸出這種跨領域的技術滲透,，標志著硅光子從單一芯片制造向系統(tǒng)級解決方案的跨越式發(fā)展。
結語
這場以光子替代電子的技術革命,，不僅是對傳統(tǒng)半導體產(chǎn)業(yè)的一次顛覆性創(chuàng)新,，更開啟了通向"光電融合時代"的大門。面向未來,，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化進程仍面臨多重挑戰(zhàn)。如何在提升集成度的同時控制熱效應,？怎樣實現(xiàn)III-V族材料與硅基工藝的更優(yōu)異質(zhì)集成,？能否突破光量子計算的可擴展性瓶頸？這些問題的答案將決定技術演進的深度與廣度,。
