適合中國的新賽道——矽光子！

來源：下飯影片 釋出時間：2023-06-09 10:50

來源：EETOP收拾整頓自科技新報

跟著 AI、通訊、自駕車等領域對海量運算的需求漸增，在摩爾定律的條件下，積體電路的技術演進已面臨物理極限，該如何突破？

有一項技術，它讓IBM早在20年前就積極投入，稱霸CPU市場多年的Intel也早已投資這項技術超過10年的時間，中國大陸更是將它視做半導體發展突圍的武器，而以色列也把它列為其國家科技發展重要專案之一。

這項技術對一般人而言顯得目生，但卻吸引Apple、NVIDIA、臺積電等巨頭公司近年來陸續投入研發打造，它就是集20世紀兩大最重要的發明矽積體電路與半導體鐳射大成的矽光子。當電子結合光子，不只解決原本訊號傳輸的耗損問題，甚至視為開啟摩爾定律新篇章、顛覆未來世界的關鍵技術。

積體電路（IC）將上億個電晶體微縮在一片晶片上，進行各種複雜的運算。矽光子則是積體電路，把能導光的線路全數集中。簡樸來說，是在矽的平臺上，將晶片中的電訊號轉成光訊號，進行電與光訊號的傳導。

跟著科技進步迅速、計算機運算速度晉升，晶片間的通訊成為計算機運算速度的樞紐。去年 ChatGPT 剛推出，問答過程中易泛起卡頓、跳掉的狀況，也和資料傳輸問題相關，因此 AI 技術不斷進級時，維持運算速度是迎接 AI 時代的重要一環。

矽光子能晉升光電傳輸的速度，解決目前電腦元件使用銅導線所碰到的訊號耗損及熱量問題，因此臺積電、英特爾等多家半導體巨頭已經投入相關技術研發。

但在先容矽光子應用與瓶頸前，我們需要先了解光電收發模組的運作原理：

光電收發模組如何運作？

先想象光電收發模組是類似 USB 的長方形模組，插入電腦後才能讀取資訊。換言之，光訊號必需先進入該模組，才能將訊號打入伺服器。

傳統的插拔式模組（transceiver，又稱收發器）內部有很多光電元件，當光訊號進去模組裡，會需要光接收器（PD，Photodetector）來接收光，之後訊號源進入模組，由於光電效應產生的電流很小，需要放大器（TIA）將電流訊號放大，同時把電流訊號轉換成電壓。

電訊號進入主機後會碰到交換器（Switch），能將電訊號進行處理、轉換，判定電該從哪個軌道出去，出去後經由光調變器（Optical Modulator），同時搭配鐳射光源輸入的情況下，將電訊號再切換成光訊號，這就是光電收發模組的概念。

矽光子和光電收發模組有什麼關係？

一個光電模組包含光接收器、放大器、調變器等很多元件，過去這些元件都是個別、零散地放在PCB板上，但為了晉升功耗、增加訊號傳輸速度，這些元件改成全整合到單一矽晶片上。

在矽平臺上的光電訊號轉換，都能算在矽光子技術範疇，過程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會以矽光子發展至今的每個階段，作為分享的主軸。

積體電路下一步整合“光”路：矽光子三部曲

矽光子第一階段：從傳統插拔式模組進級

矽光子已默默耕耘20多年，傳統的矽光子插拔式外型非常像USB介面，外接兩條光纖，分別傳輸進去和出去的光; 但插拔式模組的電訊號進入交換器前，必需走一大段路（如下圖 b），在高速運算損失又多（大），所以為了減少電損失，矽光元件改到接近伺服器交換器外圍的位置，縮短電暢通流暢的間隔，而原本的插拔式模組只剩下光纖。

而上述這個作法，恰是目前業界積極發展的「共封裝光學模組」（CPO，Co-Packaged Optics）技術。主要是將電子積體電路（EIC）和光子積體電路（PIC）共同裝配在同一個載板，形成晶片和模組的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發模組，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 晶片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及訊號延遲。

據瞭解，這項技術能降低成本，資料量傳輸晉升8倍，提供30倍以上的算力並節省50%功耗。但目前晶片組的整合仍處於現在進行式，如何精進CPO技術，成為矽光子發展的下一個重要步驟。

解決 CPO 瓶頸然後呢？矽光子第二階段：解決CPU/GPU 對傳問題

目前矽光子主要在解決插拔式模組的訊號延遲之挑戰，跟著技術發展，下一階段將會是解決CPU和GPU傳輸的電訊號問題。學界指出，晶片傳輸以電訊號為主，所以下一步要讓GPU和CPU透過光波導進行內部對傳，將電訊號全轉為光訊號，來加速AI運算並解決目前算力瓶頸。

矽光子最終第三階段：全光網路（AON）時代來臨

當技術再往下一步走，將迎接全光網路時代，意思是晶片間的所有對傳全變成光訊號，包括隨機儲存、傳輸、交換處理等都以光訊號傳遞。目前日本已在矽光子匯入全光網路這部分積極佈局。

矽光子如何開啟摩爾定律新篇章？能匯入哪些應用領域？

摩爾定律猜測，相同尺寸晶片中能容納的電晶體數目，由於製程技術推進，每18~24個月會增加一倍。但因為晶片是電訊號，傳輸會有訊號損失的問題，即使單位面積電晶體數目漸增，仍無法避免電耗損的問題。

然而矽光子技術的泛起，以光訊號代替電訊號進行高速資料傳輸，實現更高頻寬和更快速度的資料處理，使晶片不需擠更多電晶體數目，不需追求更小奈米和節點，且能在現有矽製程基礎上實現更高整合度、更高效能的選擇，進一步推動摩爾定律的發展。

因為高頻寬、小尺寸、低能耗和本錢效益等上風，矽光子在通訊和高速運算領域極具發展潛力，可應用於生醫感測、量子運算、機器學習、光學雷達（LiDAR）等領域。以鐳射雷達為例，若未來發展到Level 4~5的無人自駕車，面對複雜的外在環境，訊號處理必需非常快速，以矽光子技術為基礎的LiDAR感測是目前相稱被看好的突破方式，這些應用潛力將帶來革命性的變化，促進通訊、醫療和科學等領域的技術革新，開創更智慧、高效的未來。

矽光子目前技術瓶頸在哪？

目前矽光子在元件整合上仍有諸多挑戰，首先是介面溝通語言問題，舉例來說，半導體廠商固然瞭解電的製程，但由於光子元件效能對溫度和路徑都很敏感，製程上線寬與線距對光訊號影響相稱大，若要開發更高效的光子元件結構和製程，需要一個溝通平臺，提供設計規格、材料、引數等，進行光電廠商的資訊語言整合。

再者，短期矽光子用於利基型市場，各型別的封裝製程與材料尺度也還在陸續建立中，大多提供矽光晶片下線的晶圓代工廠都屬於客製化服務，或者不利便提供給他廠使用，缺乏同一平臺恐阻礙矽光子技術的發展。

除了以上提到的缺乏共通平臺外，高本錢製造、光源整合、元件效能、材料匹配、熱效應和可靠性等也是矽光子製程瓶頸之一。跟著技術的不斷進步和立異，預計這些瓶頸在未來數年到十年內有望得到突破。

哪些大廠已經卡好位

事實上，這個看起極具潛力且正預備高飛的技術，是由IBM帶頭，爾後不少企業、研究單位、學術界紛紛投入20年的成果，其中，Intel是最快推出量產產品，市佔率甚至達5成的龍頭企業。而Leti、Imec、Ime則是深耕這個領域許久的研究單位; 在設計端則有被 NVIDIA 投資的Mellanox、被 Cisco 收購的 Luxtera 與 Acacia、Finisar、Avago等公司投入研發。

在晶圓製造的部門，以GlobalFoundries的投入最早，臺積電則在近年來積極佈局相關技術，2017年與Luxtera共同開發新世代的矽光子技術，爾後也在封裝段也布有COUPE（compact universalphotonic engine，緊湊型通用光子引擎）矽光子晶片異構整合技術。而封測大廠日月光也在相關技術佈局了 20 年之後，在去年正式推出 CPO 裝技術，並且成功進入博通矽光子產品供應鏈。

中國大陸對於矽光子工業的投入也不容小覷，由於矽光子晶片製造可以沿用半導體既有十分成熟的CMOS製程與機臺，且主流製程落在45到90奈米，這對擅長IC設計但製程相對落後的中國大陸半導體工業而言，反而視之為其推動區域半導體內輪迴策略的最佳致勝捷徑。就以在全球進行併購的華為為例，其併購標的包含了英國整合光子研究中央CIP Technologies、比利時矽光技術開發商Caliopa。中國政府甚至在武漢設立了東湖高新區光電園，全力打造矽光子相關技術。

對於擁有半導體制造完整產業鏈與進步製程上風的臺灣地區而言，固然前十年投入矽光子技術研發的廠商有限，但近年來半導體制造供應鏈正低調地卯足全力投入這項技術研發，但願能在矽光子技術上再度複製半導體成功模式。正如日月光研發副總洪志斌所言，矽光子無疑將是“一大技術槓桿、同時也是新興應用的新支點，能夠觸動出新型態與新世代的資料中心，並且帶動各種新興資料密集型應用”的重量級技術。