巨头押注的硅光芯片，这次真要来了？

时隔一年，又有新动向。

被称作未来芯片的硅光芯片，最近又有了新进展。

有报道称，台积电将携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子技术、共同封装光学元件（co-packaged optics，CPO）等新产品，制程技术从45nm延伸到7nm，最快明年下半年开始迎来大单，并在2025年左右达到放量阶段。

对于这则传闻，台积电表示，不回应客户及产品状况。不过台积电高度看好硅光子技术在未来的场景。

而在近期的一场半导体座谈会上，台积电副总余振华也公开透露了自己对硅光子技术的看法：“如果能提供一个良好的硅光子整合系统，就能解决能源效率和 AI 运算能力两大关键问题。这会是一个新的范式转移。我们可能处于一个新时代的开端。”

台积电硅光技术，到了哪一步？

所谓“硅光芯片”，是在硅的平台上，将传统芯片中的电晶体替换成光电元件，进行电与光讯号的传导。

对比传统芯片会出现电讯号的丢失与耗损的情况，光讯号不仅损耗少，还实现更高频宽和更快速度的数据处理。

因此，有人把硅光技术称作摩尔定律的“新解药”。

单从曝光度来看，硅光芯片一直处在不温不火的状态，这让很多人误以为这是近些年才出现的新鲜事物。

但实际上，国外从上世纪80年代就开始硅光技术和相关光通信技术的研究，也有部分厂商成功研发出一些产品。

到了近些年，硅光产业上下游市场的生态基本搭建完成，上游有新思、Cadence等EDA公司，中下游有台积电、英特尔、英伟达、高塔半导体等知名半导体厂商。不过在商业化进程上，硅光芯片还没有一款算得上“出圈”的商业化产品。

因此余振华才提到了硅光子整合系统的想法。

对于台积电来说，此前在该领域主推的产品名为COUPE（紧凑型通用光子引擎）封装技术，其最大的特点是可以降低功耗、提升带宽。

去年曾有一则报道称，台积电计划在一项与英伟达深度合作的研发项目中尝试使用，将多个AI GPU组合成一块GPU。

该研发项目将持续数年时间，且必须等到硅光子生态系统成熟才算完成。

结合此次爆出的新闻，以及今年以来英伟达在高算力AI芯片上的布局来看，去年这个内部项目大概有了新的进展。

不仅是英伟达，随着越来越多企业投入到硅光产品的研发，CPO封装技术也会不断突破。

硅光技术还有多久？

首先，硅光产品并没有到大规模需求阶段。虽然有自动驾驶和数据中心两大领域的需求，但目前还没有主流芯片厂商推出高性能芯片。

其次，硅光产品需要考虑相对高昂的成本问题。受限于大量光学器件，一个硅光器件需要采用各种材料，在缺乏大规模需求的情况下，硅光产品成为一种“高价、低性价比”的产品。同时，器件的性能与良品率难以得到保障。

最后，硅光芯片在打通各个环节还需要。例如设计环节，虽然已经有EDA工具支持，但算不上专用；而在制造与封装环节，类似台积电、三星等大型晶圆代工厂都没有提供硅光工艺晶圆代工服务。即便是已经推出COUPE技术的台积电，短时间内会专注于封装方案，很难匀出产能提供给硅光芯片。

事实上，不同厂商对于硅光产品的理解也各不相同。

以英伟达为例，在去年OFC 2022光纤通信会议上，英伟达首席科学家Bill Dally展示了一套硅光技术连接GPU系统的模型。

在这套模型中，英伟达选择用DWDM单模光纤替代有限电缆，构建了连接GPU的交换机。在新模型下，虽然外部激光源占用了大量空间，但由于光的特性，因此设备之间的连接线缆可以更长，最终让整套模型的体积大大降低。

从产品思路来看，英伟达将激光信号设在了产品外部，而不是像其他厂商一样将激光器嵌入芯片内部。

这一设计想法与硅光子初创公司Ayar Labs十分相似——他们在早期设计产品时决定将光源本身与光子芯片分开。

此前，在接受外媒采访时，Ayar Labs总裁兼首席技术官Mark Wade曾指出：“激光器的物理学与CMOS微电子的物理学是相互脱节的；它们不喜欢在高温下工作，会迅速失去能效，其可靠性也会成指数级下降。

图 | Ayar Labs的光学I/O芯片最终封装模块

值得一提的是，该公司在去年就正式宣布与英伟达合作开发具有光学I/O的下一代AI运算基础架构，并且英伟达还参与到Ayar Labs的融资中。

从两家公司的描述来看，台积电的封装技术有极大可能用在这项新的AI架构上。

当然，英伟达的产品思路并不代表硅光芯片的最终形态，其他老牌厂商同样有各自的产品思路。

例如格芯，在全年宣布与博通、思科、Marvell等厂商合作推出新一代硅光平台GF Fotonix，在12英寸的晶圆上，实现光子元件、射频和高性能CMOS的单芯片集成，单根光纤提供高达每秒半太比特 (Tb/s) 的数据速率，这是所有代工厂产品中最快的数据速率。

而作为硅光赛道真正的老大哥——英特尔的产品不仅种类最多，同时也是少数拥有IDM能力的半导体企业。

在近几年的展会上，英特尔陆续展示了800Gbps的硅光发送器、CPO技术以及与英伟达不同设计的光学I/O。

另外一家在硅光产业比较出名的是思科，他们在今年OFC 2023的一场闭门会议上展示了其最新版本的CPO解决方案，与传统的可插拔模块相比大幅降低了功耗（高达30%），也算得上目前顶尖的CPO解决方案。

图 | 硅光产业链

在国内，同样有多家企业瞄准硅光赛道。

可以说，硅光赛道正进入一个“百花齐放”的阶段。

写在最后

经过多年的发展，硅光子技术已经逐步打通了生态链，下一步就是向商业化迈进。

在先进制程不断接近摩尔定律限制的背景下，硅光芯片能再次吸引来市场的目光，靠着还是本身出色的特性。

而随着台积电相关封装技术的不断完善，硅光芯片未来大规模产业化也变成了可能。

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