关于台积电大举研发硅光子技能的传闻早已有之。最新是台积电内部有一支由超 200 名专家组成的研发团队，专注于将硅光子技能导入 CPU、GPY 等打算制程当中。同时台积电正在联手英伟达、博通等大客户开拓硅光子及共同封装光学元件（CPO）等新产品，制程技能一起从 45nm 延伸到 7nm，最快 2024 年就会有好，2025 年进入放量阶段。
从上世纪提出「硅光子」的观点，到 2010 年英特尔造出环球首个硅光芯片，硅光子技能彷佛终于迎来了爆发的前夜。
「摩尔」不去世，而且充满「光」
从 7nm 制程开始，一贯有人说「摩尔定律已去世」，最范例的便是英伟达 CEO 黄仁勋，但同时也有很多人认为后摩尔定律时期，将会「山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村落」，代表便是台积电创始人张忠谋。
今年 3 月，摩尔定律提出者摩尔·戈登去世，随之而来的还有新一轮关于摩尔定律的谈论。但不管不雅观点和结论如何，芯片业并没有停滞晶体管数量的扩大，前辈制程的推进以及未来的希望——芯片互连瓶颈的冲破。
而要冲破芯片互连目前面临的技能瓶颈，关键在于「速率」。早在 2020 年，英特尔资深首席工程师，英特尔研究院 PHY 研究实验室主任 James Jaussi 就表示，「我们正在靠近 I/O 功耗墙和 I/O 带宽鸿沟，这将严重阻碍性能扩展。」
这也是全体半导体行业都在关注硅光子技能的缘故原由所在。
图/英特尔
在日前举办的半导体研发大师论坛上，有多位半导体行业技能专家和领袖出席，包括「台积电研发六骑士」中 3 位：孙元成（前台积电技能长）、杨光磊（前台积电研发处长）以及余振华。个中，余振华在会上再一次强调了硅光子技能对付当下半导体行业的主要意义：
「摩尔定律去世不了，不仅老兵不去世，连凋零都非常慢，机会在前辈封装及系统整合方面，期望达到系统能源效率越来越高，效能越来越好，逐步我们正在走出摩尔定律的通道，通道表面充满光明，而光有两个意思，一个是未来的光明，另一个意思便是光子。」
硅光子，为高速而生
硅光子技能，顾名思义是结合了硅技能与光子技能，更详细来说是一种利用光子代替电子来传输数据的光通信技能。
在去年 12 月举办的第 68 届 IEEE 国际电子设备会议（IEDM）上，IBM 代表 Chris Penny 表示，「在大约 20-25 年的韶光里，铜一贯是互连的首选金属。」
事实上，在本日数以亿计的电子设备中，连接芯片到电路板，连接芯片到芯片的还是金属导线。在每个芯片上，除了数百亿个晶体管，还须要十几层金属连线将这些晶体管连接起来，形成寄存器、放大器、算术逻辑单元，以及构成处理器核心和其他主要电路的繁芜单元。
问题是随着前辈制程工艺逼近物理极限，芯片内部由于互连线所引起的各种微不雅观效应已经成为影响芯片性能的主要成分。
如果把芯片比作一条公路，当道路宽度逐渐逼近上面行驶的汽车，汽车变得越来越难以行驶。当芯片越做越小，密度越来越大时，互联线也须要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的各种量子效应也会越来越影响芯片性能。
而另一方面，光纤系统在世界各地以每秒钟数万亿比特的速率传送数据，工程师们很早就想到，光子技能不仅可以实现跨国数据传输，还可以在数据中央之间乃至是打算机之间传输数据，乃至在芯片与芯片之间，于是就有硅光子技能的涌现。
硅光子芯片原型，图/Imec
比较电子通过铜等芯片互连线材料进行数据传输，硅光子技能最大的上风在于拥有更快的传输速率。光对付玻璃来说是透明的，不会发生滋扰征象，因此理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输机数据，适宜于大规模通信。
一样平常认为，硅光子技能可以使处理器内核之间的数据传输速率提高 100 倍乃至更高，功率效率也非常高（意味着更低功耗），因此被视作新一代半导体技能。
但在之前，硅光子技能并没有受到过多的重视和谈论，除了在导入过程中面临的工艺难度和本钱考量，核心还是芯片行业从未像本日这样急迫地追求更高效率的芯片互连和高算力、高带宽。
人工智能狂潮，加速硅光子技能落地
毫无疑问，以大模型和天生式 AI 为代表，AI 已经席卷了全体科技界，险些没有科技类展会都绕不开。上周召开的上外洋滩大会、腾讯环球数字生态大会以及国际半导体展，都概莫能外。
但 AI 掀起技能狂潮实际上也带来了诸多的寻衅，尤其是在半导体技能上。台积电董事长刘德音在今年的国际半导体展上就揭橥了《AI 时期的半导体技能》的主题演讲，个中提到，AI 模型的演习带动了算力与内存的高需求，也让半导体面对从异质整合到整合 Chiplets（又称小芯片）的趋势。
刘德音，图/台积电
我们都知道，芯片的打算详细到底层，实际便是晶体管的一开一关，以是晶体管数量一贯被视为衡量算力的主要参数。但现如今用于 AI 演习的英伟达 GPU 已经达到了千亿级别晶体管的极限，芯片行业的普遍共识是，我们须要通过 3D 整合互连，用多个小芯片实现更低的本钱、更高数量的晶体管。
然而，传统以电旗子暗记作为数据传输的办法已经没有办法知足更高的需求。「AI 和 HPC（高性能打算）领域的打算需求不断增长，在这一趋势的推动下，对付能够在每个 GPU 之间实现无缝高速通信的多节点、多 GPU 系统的需求也在进步神速。」英伟达在先容 NVLink 和 NVSwitch 技能时写到，「速率更快、可扩展性更强的互连已成为当前的急迫需求。」
而硅光子技能可以将电换成传输速率更快的光，实现更快的传输速率、更远的传输间隔以及更低的功耗和延迟。理论上，当我们将光学接口与 CPU 和 GPU 封装在一起，能够有效扩展 GPU 间的带宽，同时节省能耗和面积，真正将数百台做事器作为一个巨型的 GPU。
就像刘德音在那场演讲中说的，在 AI 的推动下，硅光子技能将成为这个行业的关键技能。
题图来自 IBM
