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硅光技術(shù)是后摩爾時(shí)代核心技術(shù)之一，是半導(dǎo)體技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的結(jié)合，并且對(duì)于通信行業(yè)的影響將是顛覆性的。
光芯片處于產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值制高點(diǎn)，競(jìng)爭(zhēng)壁壘最高，近年來(lái)，硅光技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新階段。
那么，硅光技術(shù)進(jìn)入了怎樣的階段？國(guó)內(nèi)外硅光工藝平臺(tái)是怎么樣的？產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)怎樣的呢？
硅光技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新階段
硅光技術(shù)已進(jìn)入大規(guī)模集成階段：
隨著5G通信技術(shù)向海量連接、大容量方向發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)全面覆蓋，光通信設(shè)備需要布局大量的光模塊，光模塊需要實(shí)現(xiàn)高密度連接，驅(qū)動(dòng)光模塊向高集成化方向發(fā)展。
光芯片是光模塊的核心器件，成本占比隨傳輸速率的提升而上升，處于產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值制高點(diǎn)，競(jìng)爭(zhēng)壁壘最高。
硅為材料的光集成技術(shù)兼具數(shù)據(jù)的交換、存儲(chǔ)以及處理，是下一代光通信的技術(shù)趨勢(shì)。
硅光芯片在保持光器件高靈敏度的基礎(chǔ)上兼具低成本、低功耗、高速、超小型化和超輕超薄等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
硅光技術(shù)的高度集成特性在對(duì)尺寸更加敏感的消費(fèi)領(lǐng)域存在更大需求，消費(fèi)電子、智能駕駛、量子通信等領(lǐng)域有較大發(fā)展空間。
硅基光電子集成芯片概念：
硅光子當(dāng)前發(fā)展最成熟的是包含數(shù)據(jù)中心互連(DCI)收發(fā)器在內(nèi)的連接領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長(zhǎng)距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等。
國(guó)外硅光工藝平臺(tái)
在硅光領(lǐng)域，尤其是在光模塊上，自己設(shè)計(jì)自己制造的英特爾無(wú)疑是實(shí)力最強(qiáng)勁的一個(gè)，也是各大廠商中技術(shù)積累最久的。但除了英特爾這樣的IDM硅光廠商外，國(guó)外還是有不少開放硅光工藝平臺(tái)的，比如美國(guó)的格芯、AIM Photoics，新加坡的AMF以及被英特爾收購(gòu)后仍將繼續(xù)開展第三方代工業(yè)務(wù)的以色列代工廠Tower Semiconductor等等。這些代工廠從最初的光電集成技術(shù)開始，逐漸在近年來(lái)發(fā)現(xiàn)硅光技術(shù)的重要性，于是紛紛推出自己的硅光工藝平臺(tái)，主要是基于SOI和SiN技術(shù)。
今年三月，格芯宣布與博通、思科、Marvell等廠商合作，提供新一代硅光平臺(tái)GF Fotonix，在12英寸的晶圓上，實(shí)現(xiàn)光子元件、射頻和高性能CMOS的單芯片集成。雖然沒有明說(shuō)，但GF Fotonix應(yīng)該是其90WG、45CLO工藝節(jié)點(diǎn)以及硅光封裝技術(shù)的整合平臺(tái)。
從發(fā)布新聞的合作廠商背書來(lái)看，格芯明顯是光模塊廠商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備巨頭在硅光工藝平臺(tái)上的******了，也只有這么大的客戶量能支撐得起12英寸晶圓廠的產(chǎn)能。這點(diǎn)從格芯的財(cái)報(bào)中也可以看出，今年第一季度來(lái)自智能手機(jī)設(shè)備終端的營(yíng)收占比已經(jīng)從去年同期的54%降到了50%，而來(lái)自通信基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心的占比從13%提升至17%。
國(guó)內(nèi)硅光工藝平臺(tái)
要說(shuō)開放硅光工藝平臺(tái)的話，國(guó)內(nèi)也有，比如中科院微電子所的硅光子平臺(tái)、聯(lián)合微電子中心的硅光工藝平臺(tái)，除此之外中芯國(guó)際下的中芯集成電路（寧波）的光電集成業(yè)務(wù)中也有SOI異質(zhì)光電集成，不過目前其工藝平臺(tái)支持似乎只有RFSOI和HVBCD，分別為射頻前端和高壓模擬。
與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的開放硅光工藝平臺(tái)在先進(jìn)程度上要稍遜色一些，而且整體規(guī)模要小一些，以180nm/130nm和8英寸晶圓為主，但同工藝節(jié)點(diǎn)下的性能其實(shí)并不輸國(guó)外，而且國(guó)內(nèi)的硅光設(shè)計(jì)公司已經(jīng)開始嶄露頭角。
聯(lián)合微電子中心的硅光工藝平臺(tái)應(yīng)該是國(guó)內(nèi)發(fā)展最快的了，這家2018年成立的公司在不到4年的時(shí)間里，就已經(jīng)提供了180nm的硅光成套工藝CSiP180AI，以及加入雙層銅互連技術(shù)的130nm工藝CSiP130Cu，同時(shí)還有300nm的碳化硅光電工藝CSiN300和3D異構(gòu)集成工藝C3DS10。
同樣值得注意的是，原材料價(jià)格上漲帶來(lái)的漲價(jià)潮同樣影響到了硅光芯片，比如聯(lián)合微電子就在今年年初發(fā)布了漲價(jià)通知，表示由于掩膜版等原材料大幅上漲，將把SOI無(wú)源MPW的流片價(jià)格從4萬(wàn)元/block提升至48000元/block。
產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用領(lǐng)域
隨著產(chǎn)業(yè)鏈分工逐漸垂直，后續(xù)基于硅光的激光雷達(dá)、可穿戴設(shè)備、AI光子計(jì)算等領(lǐng)域會(huì)相繼爆發(fā)。
根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，到2025年，基于硅光芯片的應(yīng)用規(guī)模將達(dá)到26.15億美金，2020-2025年復(fù)合增速達(dá)到38%。到2025年，硅光模塊總和市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到18.91億美金，占據(jù)硅光芯片應(yīng)用的近72.3%。同時(shí)硅光技術(shù)在光模塊中的總體應(yīng)用占比將從2020年的5.7% 提升至2025年的15% 以上。
從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，硅光子技術(shù)涉及“設(shè)計(jì)－制造－封裝”等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，包括原材料供應(yīng)商（晶圓廠等）、設(shè)計(jì)廠商、制造廠商、封裝廠商、系統(tǒng)集成商等，當(dāng)前商用產(chǎn)品較少，整個(gè)產(chǎn)業(yè)還沒有形成穩(wěn)定的競(jìng)爭(zhēng)格局。
目前由于硅光發(fā)展不成熟，硅光子產(chǎn)業(yè)鏈沒有像微電子產(chǎn)業(yè)一樣完全形成Foundry廠與硅光設(shè)計(jì)公司分開的產(chǎn)業(yè)格局，且硅光子集成度不高，硅光器件的IP沒有完全形成與成熟，所以光器件也一般由Fabless自行設(shè)計(jì)。
隨著硅光子技術(shù)被市場(chǎng)認(rèn)可，下游客戶（大型互聯(lián)網(wǎng)公司、運(yùn)營(yíng)商、通信設(shè)備廠商等）切入中上游制造過程。
硅光子最重要的三大應(yīng)用領(lǐng)域：
在電信領(lǐng)域，硅光技術(shù)助力光模塊尺寸與成本降低；在數(shù)通領(lǐng)域，硅光技術(shù)助力成品率進(jìn)一步提升，在高速應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)明顯。
硅光子商業(yè)化較為成熟的領(lǐng)域主要在于數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長(zhǎng)距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等光連接領(lǐng)域，800G及以后硅光模塊性價(jià)比較為突出。
目前硅光集成技術(shù)仍處于初期發(fā)展階段，光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運(yùn)用電子芯片先進(jìn)的制造工藝及模塊化技術(shù)，其研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化以國(guó)外企業(yè)為主導(dǎo)，國(guó)產(chǎn)化率較低。
硅光子是確定性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，海內(nèi)外巨頭公司瞄準(zhǔn)硅光賽道收并購(gòu)頻發(fā)，科技巨頭公司高度重視硅光技術(shù)。
目前投入研發(fā)的公司不僅包括Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago等光通信公司，Intel、IBM、思科、Imec等半導(dǎo)體廠商和華為等設(shè)備商也加入了這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)。
國(guó)內(nèi)廠商光迅科技、新易盛、天孚通信、中際旭創(chuàng)、博創(chuàng)科技等從分立光模塊市場(chǎng)紛紛切入硅光領(lǐng)域，但是傳統(tǒng)光模塊制造過程中封裝工序較為復(fù)雜，BOM及人工成本需要投入較多，另外未來(lái)采用硅光的光電共封裝（CPO）技術(shù)預(yù)計(jì)將會(huì)成為主流模式，傳統(tǒng)光模塊生產(chǎn)制造企業(yè)將會(huì)收到較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要持續(xù)跟蹤國(guó)內(nèi)光模塊廠商硅光產(chǎn)品研發(fā)、客戶驗(yàn)證等進(jìn)展情況。
硅光子產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)初創(chuàng)公司主要包括曦智科技（AI光子芯片）、微源光子（硅光Lidar 、可穿戴）、國(guó)科光芯（硅光Lidar）等。
這些廠商最接近硅光子通信的兩大應(yīng)用領(lǐng)域電信市場(chǎng)和數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)，在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)格局還沒有確定的情況下，這些廠商也是未來(lái)硅光子行業(yè)發(fā)展的極大助推力。
未來(lái)的應(yīng)用趨勢(shì)
傳統(tǒng)上，基于光的通信主要是用在長(zhǎng)距離高速通信中，例如大家熟悉的光纖寬帶入戶就是這樣的長(zhǎng)距離高速有線通信的一個(gè)重要例子。在數(shù)據(jù)中心中，常用的數(shù)據(jù)互聯(lián)是基于銅電纜的通信。
然而，在最近幾年，隨著人工智能等應(yīng)用的興起，數(shù)據(jù)中心中也在走向基于光通信的數(shù)據(jù)互聯(lián)。這主要的原因在于，人工智能等應(yīng)用將對(duì)于數(shù)據(jù)互聯(lián)帶寬的需求大大提升了，而常規(guī)的銅電纜互聯(lián)越來(lái)越難以滿足需求。
例如，在人工智能應(yīng)用中，數(shù)據(jù)中心常常需要進(jìn)行大量分布式計(jì)算，而分布式計(jì)算中，不同服務(wù)器之間需要頻繁的大量數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)互聯(lián)的帶寬往往會(huì)限制整體任務(wù)的性能。這也是大數(shù)據(jù)時(shí)代的一個(gè)特點(diǎn)，即算法為了處理海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)訪問的性能和計(jì)算性能幾乎一樣重要，有時(shí)候甚至更重要；而隨著算法規(guī)模越來(lái)越大，需要使用多臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行分布式計(jì)算的場(chǎng)合也越來(lái)越多，因此服務(wù)器之間的高速數(shù)據(jù)互聯(lián)就成為一個(gè)極其重要的核心技術(shù)了，而這成為數(shù)據(jù)中心引入超高帶寬基于硅光子的數(shù)據(jù)互聯(lián)的主要理由。
在幾年前，人工智能剛剛興起時(shí)，Nvidia就憑借和Mellanox的合作在機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練中引入基于光互連的InfiniBand從而助力高性能訓(xùn)練，而到了今天類似的超高速光互聯(lián)已經(jīng)幾乎成為數(shù)據(jù)中心的標(biāo)配。
在未來(lái)，我們認(rèn)為大數(shù)據(jù)和人工智能將繼續(xù)成為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的主要?jiǎng)恿?。正因?yàn)槿绱耍磥?lái)數(shù)據(jù)中心對(duì)于基于光的數(shù)據(jù)互聯(lián)的需求可望進(jìn)一步增加，而這也將進(jìn)一步提升硅光子的市場(chǎng)規(guī)模，我們也因此看到了半導(dǎo)體業(yè)界的幾大巨頭都在積極布局相關(guān)的硅光子技術(shù)。
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