光芯片步入“黄金时代”_光子_芯片

环球光模块细分市场规模及预测

（图源：LightCounting）

个中，光芯片的性能直接决定光模块的传输速率，是家当链核心之一。
以光通信家当链为例，光芯片位于全体家当链的顶端，霸占光模块本钱的50%以上，是全体光通讯家当链条中技能最繁芜、代价最高的环节。

光通信家当链

半个世纪以来，微电子技能大致遵照着“摩尔定律”快速发展，随着信息技能的不断拓宽和深入，芯片的工艺制程已减小到 5nm 以下，但由此带来的串扰、发热和高功耗问题愈发成为微电子技能难以办理的瓶颈。

同时，在现有冯诺依曼打算系统采取存储和运算分离的架构下，存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈，严重制约系统算力和能效的提升。
此外，处理器与内存之间、处理器与处理器之间信息交互的速率严重滞后于处理器打算速率，访存与I/O瓶颈导致处理器打算性能有时只能发挥出10%，这对打算发展形成了极大制约。

电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，连续在电子打算技能范式上寻求打破口步履维艰。
在面向“后摩尔时期”的潜在颠覆性技能里，光芯片已进入人们的视野。

光芯片，一样平常是由化合物半导体材料（InP和GaAs等）所制造，通过内部能级跃迁过程伴随的光子的产生和接管，进而实现光电旗子暗记的相互转换。

微电子芯片采取电流旗子暗记来作为信息的载体，而光子芯片则采取频率更高的光波来作为信息载体。
比较于电子集成电路或电互联技能，光芯片展现出了更低的传输损耗 、更宽的传输带宽、更小的韶光延迟、以及更强的抗电磁滋扰能力。

此外，光互联还可以通过利用多种复用办法（例如波分复用WDM、模分互用MDM等）来提高传输媒质内的通信容量。
因此，建立在集成光路根本上的片上光互联被认为是一种极具潜力的技能，能够有效打破传统集成电路物理极限上的瓶颈。

光子芯片展望

回顾光芯片发展进程，早在1969年美国的贝尔实验室就已经提出了集成光学的观点。
但因技能和商用化方面的缘故原由，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才开始重点发展硅芯片光学旗子暗记传输技能，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。

近年来随着技能的发展，包括硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种材料体系已被用于研发单片集成或稠浊集成的光子芯片。

在过去数年里，光子集成技能的发展已经取得了许多进展和打破。

据理解，目前纯光子器件已能作为独立的功能模块利用，但是，由于光子本身难以灵巧掌握光路开关，也不能作为类似微电子器件的存储单元，纯光子器件自身难以实现完全的信息处理功能，依然需借助电子器件实现。
因此，完美意义上的纯“光子芯片”仍处于观点阶段，尚未形成可实用的系统。
严格意义上讲，当前的“光子芯片”该当是指集成了光子器件或光子功能单元的光电领悟芯片，仍存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题。

光子集成电路虽然目前仍处于低级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成一定。
光子芯片须要与成熟的电子芯片技能领悟，利用电子芯片前辈的制造工艺及模块化技能，结合光子和电子上风的硅光技能将是未来的主流形态

硅基光电子集成芯片观点图

高速数据处理和传输构成了当代打算系统的两大支柱，而光芯片将信息和传输和打算供应一个主要的连接平台，可以大幅降落信息连接所需的本钱、繁芜性和功率损耗。
随着光芯片技能的发展迭代，大型云打算厂商和一些企业客户的需求都在从100G过渡到400G，400GbE的数据通信模块出货量翻了一倍，在2021年达到创记录的水平。

由此可见，光器件行业全体家当链都在持续向知足更高速率、更低功耗、更低本钱等方向演进升级，800G及更高速率产品也逐渐开始利用，不同细分领域都面临新技能的迭代和升级。

迄今为止，硅光子商业化较为成熟的领域紧张在于数据中央、高性能数据交流、长间隔互联、5G根本举动步伐等光连接领域，800G及往后硅光模块性价比较为突出。
此外，Yole认为未来几年内增长最快的将是汽车激光雷达、消费者康健和光子打算领域的运用。

光芯片的广阔市场前景自然吸引了浩瀚厂商“抢食”。

从市场格局来看，美国是硅光子领域起步最早也是发展最好的国家，1991年美国便成立了“美国光电子家当振兴会”，以勾引成本和各方力量进入光电子领域。
2014年，美国又建立了“国家光子操持”家当同盟，明确将支持发展光学与光子根本研究与早期运用研究操持开拓。

欧洲和日本也在跟进，中国大概在2010年往后开始入局光芯片赛道。
其余，新加坡的IME也是较早建立硅光子工艺的平台之一，为行业的发展作出了不小的贡献。

从当前家当链进展看，环球光芯片家当链已经逐渐成熟，从根本研发到制造工艺再到商业运用的各个环节均有代表性企业。
个中以英特尔、思科、英伟达、格芯等为代表的企业霸占了硅光芯片和模块出货量的大部分，成为业内领头羊。

虽然是贝尔实验室提出的光芯片技能的观点，但将其发扬光大的却是英特尔。

英特尔从20多年前就开始进行硅光子学研究，直到2016年才将其第一批硅光子光学收发器投入利用，标志着光子集成真正进入到主流运用领域。

英特尔第一个产品是100G PSM4 QSFP，在并行单模光纤上具有2公里的间隔，并且在发射器芯片上具有磷化铟层，实现了四个稠浊激光器和用于将电旗子暗记转换为光的调制器和光电检测器以将光转换为电旗子暗记。
该方案通过供应快速、可靠和经济高效的连接能力而供应巨大的代价。

2017年下半年英特尔开始大批量供应100G产品；2018年英特尔将其100G硅光收发器产品组合扩展到数据中央之外进入网络边缘，公布了为加速新的5G运用处景和物联网运用产生的大量数据转移而优化的新硅光产品；同年，英特尔还展示出了其400G硅光能力；2020年英特尔开始开拓其200G FR4和400G DR4光学收发器...

据知乎博主“溜达兔”先容，从2016年英特尔将其硅光子产品“100G PSM4”投入商用起，截止目前，英特尔已经为客户供应了超过400万个100G的硅光子产品。
而在2020年的英特尔研究院开放日活动上，英特尔又提出了“集成光电”愿景，即将光互连I/O直接集成到做事器和封装中，对数据中央进行改造，实现1000倍提升，同时降落本钱。

在高速网络交流芯片市场，英特尔正在力推Tofino方案，个中包括了自研的硅光子技能和高等封装技能，即光电共封技能(co-packaged，CPO）。

光电共封便是把将光芯片和电芯片(交流芯片)焊接在同一个基板上，芯片之间采取光连接，对付高速芯片来说，可以办理功耗，散热，和端口密度等问题。
英特尔为可编程以太网交流机芯片技能而收购Barefoot时，显然也是考虑到了光电共封CPO技能。

目前，英特尔已经能做到在CMOS芯片紧密集成的单一技能平台上，将多波长激光器、半导体光学放大器、全硅光电检测器以及微型环调制器集成到一起，目前已经实现集成光子器件模块芯片的量产运用。

在今年OFC会议上，英特尔展示了其可靠的InP激光器、240Gbps的微环调制器及其掌握电路。
在这些核心IP的根本上，英特尔演示了800G的硅光发送器，并展示了其在CPO与Optical I/O的布局，三个方向都在稳步向前推进。

英特尔800G硅光模块示意图

综合来看，英特尔在硅光产品线的整体布局如下图所示，包括Transceiver, CPO和Opitcal I/O，其带宽与能效比也是逐步提升。

相对付其他采代替工厂的品牌来说，英特尔的上风还在于其一贯走的都是一体化IDM模式，按照英特尔的说法，“英特尔是唯一一家在软件、硅和平台、封装和工艺方面具有深度和广度的公司。
”

此外，对高塔半导体（Tower Semiconductor）的收购又补充了英特尔在光子芯片领域的技能实力。
今年1月份，高塔半导体联合网络通讯设备公司瞻博网络(Juniper Networks)推出硅光子代工工艺，可将III-V族激光器、半导体光放大器(SOA)、电接管调制器(EAM)和光电探测器与硅光子器件共同集成在一颗单芯片上，构成尺寸更小、具有更多通道数且更节能的光学架构和解决方案。

凭借英特尔在硅光子工艺和封装技能领域的积累，未来或将会成为该领域的有力竞争者。

除了自研之外，英特尔还在持续入股干系公司。
近期投资了光芯片行业明星初创企业Ayar Labs。

据先容，Ayar Labs的光学I/O办理方案肃清了与系统带宽、功耗、延迟和范围干系的瓶颈，显著改进了现有系统架构，并为人工智能、高性能打算、云、电信、航空航天和遥感运用。
据透露，Ayar Labs已经批量出货了第一批产品，估量到今年年底将出货数千个封装内的光学互连芯片。

Ayar Labs的专利技能采取行业标准的硅加工工艺，开拓了高速、高密度、低功耗的光互连芯片和激光器，以取代传统的电学I/O互连。
Ayar Labs的高度差异化技能对付支持未来的高性能打算架构至关主要。

此外，为Ayar打开钱包的还有英伟达、惠普、运用材料以及芯片制造商格芯等科技公司和十几家投资公司的支持，Ayar与格芯携手开拓了许多关键封装技能，个中包括铜柱技能和V型槽光纤连接技能等。

博通（Broadcom）是环球领先的有线和无线通信半导体公司，也是VCSEL芯片的紧张供应商之一。
在光学数据通讯市场产品供应丰富，包括光纤吸收器、嵌入式光学模组以及自适应光缆等。

博通去年初发布了两款支持光电共封（Co-Packaged Optics简称CPO）技能的下一代交流ASIC芯片观点，首款25.6Tb Humboldt芯片估量在2022年年底推出，51.2Tbps芯片Bailly则将于2023年后发布。
博串通时宣告操持推出基于硅光技能的支持与DSP合封的800G DR8 可插拔光模块，以及下一步与CPU和GPU共封的操持。

可以看到，在顶级高端交流芯片领域的光电共封CPO技能的竞争将越来越激烈。

思科于2012年、2019年收购Lightwire、Luxtera(硅光市占率35%)及Acacia公司，快速布局硅光领域，成为了收发器、交流机和通用共同封装光学器件硅光子学领域的领导者。

目前思科利用台积电来知足他们的一些光子学需求，思科还与英特尔、格芯在制造方面建立了互助伙伴关系。

Lightwire在CMOS纤维光学和封装设计方面拥有专业上风，通过将多种高速主动和被动光纤功能整合到一小块硅基片上的办法在光纤互联领域取得一些创新成果；

Luxtera曾研发天下第一款CMOS光子器件，为最早推出商用级硅光集成产品的厂商之一，2015年发布100G PSM4硅光子芯片；

Acacia 400G硅光模块方案紧张是将分离光器件集成为硅光芯片的根本上再与自研DSP电芯片互联，终极外接激光器进行封装，已于2020年开始送样给客户。

由于收购了Mellanox，英伟达成为了顶级网络供应商。
此外，英伟达还收购了一些光子学公司，包括瑞典的OptiGOT，同时还为Infiniband网络中利用的光子收发器进行了一些设计。
英伟达拥有用于交流机的完全IP阵列，由于其作为AI演习和加速打算的领先公司，他们碰着了与打算运用程序干系的最难的I/O功率扩展问题。

由于新的人工智能模型在参数数量上的爆炸式增长，英伟达在性能和功率方面陷入了困境，须要共同封装的光学器件才能连续在AI中扩展。

英伟达之前曾提出过与共封装光子学干系的研究，直到2019年英伟达宣告以69亿美元的价格收购光纤互连领军者Mellanox。
于Mellanox在2013年收购Kotura时所得到的技能，这次交易将为英伟达带来硅光子产品组合，使数据处理和互连构成同一办理方案的组成部分。

在工艺方面，格芯（GlobalFoundries）是硅光子技能方面的投入程度可能是几家主流代工厂中最积极的。

格芯从数年前就开始积极布局，目前能供应前辈的硅光子工艺平台，包括各种光波导、相移器、极化器、光二极管等等，除了硅光子工艺之外，格芯还供应高等封装选项，帮助客户实现CPO技能。

前不久，格芯推出新一代硅光子平台Fotonix，实现了多项繁芜工艺整合至单个芯片的功能，把光子系统、射频组件和CMOS集成到同一块芯片上。
格芯将300mm光子学特性和300Ghz级别的RF-CMOS工艺集成到硅片上的平台，可以供应一流、大规模的性能。

据公布资料显示，目前其Fotonix平台的客户包括Broadcom、Marvell、Nvidia、Synopsys、Cisco等硅光子领域的主要厂商，以及 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 等光子技能厂商，未来前景大有可不雅观。

GF Fotonix 办理方案将在格芯位于纽约州马耳他的前辈制造厂中生产，为客户供应参考设计套件、MPW、测试、晶圆厂前端和后端做事、交钥匙和半导系统编制造做事，帮助客户更快地将产品推向市场。
格芯许可客户在芯片上封装更多产品功能并“简化他们的材料清单”，GF Fotonix 也支持各种芯片封装办理方案，包括用于更大光纤阵列的无源附件、2.5D 封装和片上激光器。

格芯是目前唯一能供应 300mm 单芯片硅光办理方案的纯晶圆代工厂，该办理方案展示了出色的单位光纤数据传输速率（0.5Tbps/光纤）。
这样可以构建 1.6-3.2Tbps 的光学小芯片，从而供应更快速高效的数据传输，并带来更好的旗子暗记完全性。
此外，由于系统误码率降落到了万分之一，它还能够支持下一代人工智能。

Ayar Labs 首席实行官 Charles Wuischpard 也指出，在创立早期就已经与格芯在 GF Fotonix 开拓方面展开互助，从集成 PDK 和工艺优化，到展示第一颗可以事情芯片，Ayar Labs 的单芯片电子/光子办理方案与 GF Fotonix 相结合，打开了芯片之间的光学 I/O 市场的巨大的机遇，为年底之前批量生产做好了准备。

除了格芯外，高塔半导体推出了PH18DA制造工艺，能够降落本钱，提高功率效率，并简化封装；台积电也推出了用于硅光子芯片的前辈封装技能——COUPE（紧凑型通用光子引擎）异构集成技能。
但比较起定位于环球领先的硅光子代工厂的格芯和拥有自己硅光代工平台的英特尔，其它代工厂商的布局仍稍显不敷。

由于涉及大量繁芜的稠浊旗子暗记，光子代工过程非常困难，验证设计的事情事理也非常困难。
Synopsys、Cadence和Ansys等厂商与制造厂互助进行PDK开拓和仿真是创建强大的设计生态系统的关键。

以新思科技（Synopsys）为例，其光电统一的芯片设计办理方案 OptoCompiler 可助力开拓者更好地在 硅光平台上进行创新，可为光子芯片供应完全的端到端设计、验证和签核办理方案。
OptoCompiler 将成熟的专用光子技能与业界领先的仿真和物理验证工具相结合，开拓者能够对繁芜的光子芯片进行快速、准确的设计和验证。

近期，新思科技与瞻博网络联合成立了面向硅光子市场的 OpenLight 公司，旨在加速高性能光子集成电路的开拓，OpenLight将其激光集成作为其技能的一个关键上风，希望能够吸引那些希望为硅光子运用生产芯片的客户。

OpenLight技能已通过Tower Semiconductor的PH18DA制造工艺的资格和可靠性测试，通过将用于半导体激光器的磷化铟材料直接加工到硅光子芯片上。

反不雅观海内市场，近些年不才游需求大幅扩展的带动下，海内厂商通过技能研发、对外收购等多种办法考试测验打造中国的光芯片家当。

工信部2017年底发布的《中国光电子器件家当技能发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%旁边，哀求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率打破20%。

资料来源：中国光电子器件家当技能发展路线图(2018-2022年)

从上图可以看到，国产高端光芯片的缺失落给行业带来了巨大发展机会。
在政策支持下，我国光芯片行业发展迅速。
尤其近年来，国际场合排场不稳，国外断供海内芯片的事宜频频发生，国产替代也便成为了近年海内半导体业界的热门话题，依赖海内部分光芯片龙头企业的不断发力，在50G/400G等PAM4光模块产品已经实现了较大打破，已先后推出了50G QSFP28 PAM4 LR、400G QSFP-DDSR8等产品，后续50G QSFP28 BIDI/ER以及400G QSFP-DD DR4/FR4也将陆续发布。

据不完备统计，目前本土光芯片/光模块厂商紧张有：芯思杰、瑞识科技、新亮智能、度亘激光、长瑞光电、立芯光电、源杰半导体、锐晶激光、索尔思光电、长光华芯、华工科技、光迅科技、新易盛、云岭光电、敏芯半导体、博创科技、中际旭创、纵慧芯光、曦智科技、剑桥科技、凌越光电、盛为芯等企业。

此外，海内通信龙头企业华为也在积极布局光芯片赛道。

据投资界信息，2012年，华为收购英国集成光子研究中央CIP Technologies，开启了光芯片领域的探索；次年，华为又脱手收购一家比利时硅光技能开拓商Caliopa，完善自身在光芯片领域的技能实力。

而后自2019年下半年开始，华为再次集中投资光电芯片企业，一度掀起海内光芯片投资热潮。
今年3月，华为又投了另一家光电芯片企业——纵慧芯光。
据不完备统计，截至目前，华为投资布局版图涉及十余家光芯片家当链干系企业。

2020年2月，华为还在伦敦发布了800G可调超高速光模块。
据先容，该产品支持200G-800G速率灵巧调节；单纤容量达到48T，比拟业界方案赶过40%；基于华为信道匹配算法，传输间隔比较业界提升20%。
这款产品被运用在全系列的华为OptiXtrans光传送产品中，是华为光网络顶级竞争力的主要组成部分。

去年4月，华为还公布了一项关于光学芯片的专利，名为“耦合光的光学芯片及制造方法”，专利中不仅供应了一种用于在光学芯片与另一光学器件之间耦合光的光学芯片，同时还供应了制造这种光学芯片的方法，乃至还包含了对晶圆的切割、蚀刻。

一系列动作也能看到华为在光芯片赛道的专注与坚持。
换句话说，华为确信光芯片是未来数据传输的技能之光。

虽然国产厂商进入该领域较晚，市场份额相对较小。
但是通过近年来在技能上的快速追赶，海内已经节制光芯片核心技能的厂商军队不断壮大，与国外厂商在技能上的差距已经是越来越小。

据维科网家当研究中央的统计，过去八年间，海内光芯片市场规模已经从8亿美元攀升至20.8亿美元，年均复合增长率约17.3%。
同时，根据我国在5G、数据中央、“西数东算”、“双千兆”网络的方案，估量2022年海内光芯片市场规模有望进一步扩大至24亿美元。

对我国而言，既要在传统赛道电子芯片领域尽快补短板，也要尽早在光子芯片等新赛道布局发力。
左右开弓，努力捉住新一轮科技革命和家当变革的机遇。

光芯片，已成为当前业内关注的焦点，也是创投圈最吸金的赛道之一。

随着摩尔定律脚步的放缓，探索新的技能已经成为目前半导体领域的关键任务。
将光子和集成电路的电子结合在一起，乃至是用光子替代电子形成“片上光互联”，以实现对现有光模块家当链的重塑，正成为半导体行业数个“颠覆式创新”中的主要方向之一。

正如陕西光电子先导院实行院长米磊所言：“迎着智能化曙光，未来将掀起光子技能家当的革命，类似于从电子工业的晶体管迈入集成电路时期的技能革命，集成光路将是半导体领域60年一遇的“换道超车”的主要机遇。
”