本文來(lái)自微信公眾號(hào)“中國(guó)電子報(bào)”，作者/沈叢。
近日，記者了解到，臺(tái)積電將攜手博通、英偉達(dá)等大客戶(hù)共同開(kāi)發(fā)硅光子技術(shù)、光學(xué)共封裝（co-packaged optics，CPO）等新產(chǎn)品，該技術(shù)適用于45nm到7nm的芯片制程，預(yù)計(jì)最快明年下半年迎來(lái)大單，并在2025年左右達(dá)到量產(chǎn)階段。
這一次，硅光芯片的春天又要來(lái)了？
硅光芯片曾經(jīng)發(fā)展不及預(yù)期
硅光芯片是一種基于硅晶圓開(kāi)發(fā)出的光子集成芯片，它利用硅光材料和器件通過(guò)特殊工藝制造集成電路，具有集成度高、成本低、傳輸帶寬高等特點(diǎn)。在尺寸、速率、功耗等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其工藝與硅基微電子芯片基礎(chǔ)工藝兼容，可以與硅基微電子實(shí)現(xiàn)光電子3D集成芯片。
硅光芯片可通過(guò)硅晶圓技術(shù)實(shí)現(xiàn)高密度集成（來(lái)源：英特爾）
事實(shí)上，早在上世紀(jì)七十年代，就有科學(xué)家開(kāi)始在硅基材料上研究光子學(xué)。在2000年左右，硅光子技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，隨后在通信、計(jì)算等領(lǐng)域得到小范圍的應(yīng)用。此前，也有多家科技巨頭曾研發(fā)過(guò)硅光芯片相關(guān)的產(chǎn)品，但大多數(shù)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。
據(jù)了解，華為曾經(jīng)投入大量資源研發(fā)硅光芯片，在2018年首次展示了硅光子芯片的樣品，并申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利。然而，華為在硅光芯片領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)展緩慢，并且最終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。谷歌在2015年曾宣布成功研發(fā)出硅光芯片，并展示了其高速數(shù)據(jù)傳輸和處理的能力。然而，在隨后的幾年里，谷歌并未公開(kāi)宣布任何關(guān)于硅光芯片技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研究員、硅光平臺(tái)負(fù)責(zé)人李志華向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，市場(chǎng)規(guī)模較小是阻礙硅光芯片發(fā)展的一大因素。硅光芯片的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在數(shù)據(jù)中心和長(zhǎng)距離通信等高端市場(chǎng)。在AI市場(chǎng)爆發(fā)之前，這些市場(chǎng)的需求相對(duì)有限，這也限制了硅光芯片的發(fā)展。外加彼時(shí)芯片制程的發(fā)展還暫未趨于物理極限，人們熱衷于通過(guò)縮小芯片制程來(lái)提升芯片的性能，而非通過(guò)硅光子技術(shù)提升芯片性能。這也導(dǎo)致了硅光子在此前的發(fā)展不及預(yù)期。
從“幕后”走向“臺(tái)前”
如今，硅光芯片再次迎來(lái)“春天”，甚至此次還傳出了臺(tái)積電將在2025年大規(guī)模量產(chǎn)硅光芯片技術(shù)的消息。這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)始慢慢從“幕后”走向了“臺(tái)前”。
這是由于，當(dāng)前AI技術(shù)的快速發(fā)展帶來(lái)數(shù)據(jù)處理和傳輸需求增長(zhǎng)，硅光芯片正是一種能實(shí)現(xiàn)高效、快速、低成本處理和傳輸大量數(shù)據(jù)的技術(shù)。此外，隨著芯片制程逐漸趨于物理極限，“超越摩爾技術(shù)”的概念也隨之被提出。由于光子芯片對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)的要求不如電子芯片那樣嚴(yán)苛，降低了對(duì)先進(jìn)制程的依賴(lài)。因此，硅光芯片在一定程度上緩解了當(dāng)前芯片發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，也成為了“超越摩爾技術(shù)”的關(guān)鍵一員。
“硅光芯片并非取代傳統(tǒng)的集成電路技術(shù)，而是在后摩爾時(shí)代，幫助集成電路擴(kuò)充其技術(shù)功能。此外，由于硅光芯片是基于硅晶圓開(kāi)發(fā)出的光子集成芯片，因此硅光芯片所需的制造設(shè)備和技術(shù)與傳統(tǒng)集成電路基本一致，技術(shù)遷移成本較低，這也成為了硅光芯片得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。”李志華說(shuō)。
基于此，硅光芯片也有了更多的市場(chǎng)需求。國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2030年全球硅光子學(xué)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到78.6億美元，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到25.7%。
數(shù)據(jù)來(lái)源：SEMI
與此同時(shí)，硅光芯片也成為全球芯片巨頭競(jìng)爭(zhēng)的另一關(guān)鍵賽道。
臺(tái)積電此前在硅光芯片領(lǐng)域主推名為COUPE（緊湊型通用光子引擎）的封裝技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是可以降低功耗、提升帶寬。有消息稱(chēng)，臺(tái)積電計(jì)劃將該技術(shù)用于與英偉達(dá)的合作項(xiàng)目中，嘗試用該技術(shù)將多個(gè)英偉達(dá)GPU進(jìn)行組合。此外，若此次臺(tái)積電能如愿與博通、英偉達(dá)等大客戶(hù)共同開(kāi)發(fā)硅光芯片技術(shù)，也將會(huì)集合各方的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和資源，推動(dòng)硅光芯片的大規(guī)模量產(chǎn)。
另一芯片巨頭英特爾也致力于發(fā)展硅光芯片技術(shù)。例如，英特爾提出的光電共封裝解決方案使用了密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)，能夠在增加光子芯片帶寬的同時(shí)縮小尺寸。英特爾還提出可插拔式光電共封裝方案，該方案是利用光互連技術(shù)，讓芯片間的帶寬達(dá)到更高水平。同時(shí)，英特爾還在研發(fā)八波長(zhǎng)分布式反饋激光器陣列，以提升大型CMOS晶圓廠激光器制造能力，實(shí)現(xiàn)光互連芯粒技術(shù)。
英特爾研究院研發(fā)的8個(gè)微環(huán)調(diào)制器和光波導(dǎo)（來(lái)源：英特爾）
制造良率成最大阻礙
盡管硅光芯片已經(jīng)迎來(lái)從“幕后”走到“臺(tái)前”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但是，這一次，臺(tái)積電能否攜手科技巨頭成功實(shí)現(xiàn)硅光芯片的量產(chǎn)并再次迎來(lái)“春天”，還需要看制造良率問(wèn)題能否得到有效解決。
李志華介紹，在相同的工藝節(jié)點(diǎn)下，硅光芯片對(duì)工藝精度的要求比純電子芯片要高很多。純電子芯片通常使用金屬導(dǎo)線作為傳輸介質(zhì)，這些導(dǎo)線具有高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性，可以有效地傳輸信號(hào)并散熱。雖然金屬導(dǎo)線也有表面粗糙的情況，但由于其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好，因此對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懴鄬?duì)較小。
然而硅光芯片中的微波導(dǎo)主要傳輸光子，而光子具有波動(dòng)性，易受到電磁場(chǎng)的影響。當(dāng)微波導(dǎo)的邊緣存在不平整或凸起時(shí)，可能會(huì)引發(fā)電磁場(chǎng)的不連續(xù)性，導(dǎo)致信號(hào)散射和能量損失。另外，光器件的性能對(duì)加工精度也十分敏感，微小的工藝誤差可能導(dǎo)致器件性能的嚴(yán)重劣化，因此，硅光芯片對(duì)工藝精度更加嚴(yán)苛，導(dǎo)致硅光芯片良率降低。
若想有效解決硅光芯片的良率問(wèn)題，并保證微波導(dǎo)的高性能傳輸，需要針對(duì)性地優(yōu)化硅光制造工藝，以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)邊緣的平滑和提高光器件加工精度，從而提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，保障光器件的性能和可靠性。
