硅光芯片的春天又要來了？
來源：中國電子報、電子信息產業網
近日，記者了解到，臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶共同開發硅光子技術、光學共封裝（co-packaged optics，CPO）等新產品，該技術適用于45nm到7nm的芯片制程，預計最快明年下半年迎來大單，并在2025年左右達到量產階段。
這一次，硅光芯片的春天又要來了？
硅光芯片曾經發展不及預期
硅光芯片是一種基于硅晶圓開發出的光子集成芯片，它利用硅光材料和器件通過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。在尺寸、速率、功耗等方面具有獨特優勢，其工藝與硅基微電子芯片基礎工藝兼容，可以與硅基微電子實現光電子3D集成芯片。
事實上，早在上世紀七十年代，就有科學家開始在硅基材料上研究光子學。在2000年左右，硅光子技術開始進入商業應用領域，隨后在通信、計算等領域得到小范圍的應用。此前，也有多家科技巨頭曾研發過硅光芯片相關的產品，但大多數沒有實現規模應用。
據了解，華為曾經投入大量資源研發硅光芯片，在2018年首次展示了硅光子芯片的樣品，并申請了相關專利。然而，華為在硅光芯片領域的研發進展緩慢，并且最終沒有實現大規模商業應用。谷歌在2015年曾宣布成功研發出硅光芯片，并展示了其高速數據傳輸和處理的能力。然而，在隨后的幾年里，谷歌并未公開宣布任何關于硅光芯片技術的實質性進展。
中國科學院微電子研究所研究員、硅光平臺負責人李志華向《中國電子報》記者表示，市場規模較小是阻礙硅光芯片發展的一大因素。硅光芯片的應用領域主要集中在數據中心和長距離通信等高端市場。在AI市場爆發之前，這些市場的需求相對有限，這也限制了硅光芯片的發展。外加彼時芯片制程的發展還暫未趨于物理極限，人們熱衷于通過縮小芯片制程來提升芯片的性能，而非通過硅光子技術提升芯片性能。這也導致了硅光子在此前的發展不及預期。
從“幕后”走向“臺前”
如今，硅光芯片再次迎來“春天”，甚至此次還傳出了臺積電將在2025年大規模量產硅光芯片技術的消息。這項技術開始慢慢從“幕后”走向了“臺前”。
這是由于，當前AI技術的快速發展帶來數據處理和傳輸需求增長，硅光芯片正是一種能實現高效、快速、低成本處理和傳輸大量數據的技術。此外，隨著芯片制程逐漸趨于物理極限，“超越摩爾技術”的概念也隨之被提出。由于光子芯片對工藝節點的要求不如電子芯片那樣嚴苛，降低了對先進制程的依賴。因此，硅光芯片在一定程度上緩解了當前芯片發展的瓶頸問題，也成為了“超越摩爾技術”的關鍵一員。
“硅光芯片并非取代傳統的集成電路技術，而是在后摩爾時代，幫助集成電路擴充其技術功能。此外，由于硅光芯片是基于硅晶圓開發出的光子集成芯片，因此硅光芯片所需的制造設備和技術與傳統集成電路基本一致，技術遷移成本較低，這也成為了硅光芯片得天獨厚的優勢。”李志華說。
基于此，硅光芯片也有了更多的市場需求。國際半導體產業協會(SEMI)預測數據顯示，2030年全球硅光子學半導體市場規模預計將達到78.6億美元，預計復合年增長率將達到25.7%。
與此同時，硅光芯片也成為全球芯片巨頭競爭的另一關鍵賽道。
臺積電此前在硅光芯片領域主推名為COUPE（緊湊型通用光子引擎）的封裝技術，其最大的特點是可以降低功耗、提升帶寬。有消息稱，臺積電計劃將該技術用于與英偉達的合作項目中，嘗試用該技術將多個英偉達GPU進行組合。此外，若此次臺積電能如愿與博通、英偉達等大客戶共同開發硅光芯片技術，也將會集合各方的技術優勢和資源，推動硅光芯片的大規模量產。
另一芯片巨頭英特爾也致力于發展硅光芯片技術。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用（DWDM）技術，能夠在增加光子芯片帶寬的同時縮小尺寸。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，讓芯片間的帶寬達到更高水平。同時，英特爾還在研發八波長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，實現光互連芯粒技術。
制造良率成最大阻礙
盡管硅光芯片已經迎來從“幕后”走到“臺前”的轉折點，但是，這一次，臺積電能否攜手科技巨頭成功實現硅光芯片的量產并再次迎來“春天”，還需要看制造良率問題能否得到有效解決。
李志華介紹，在相同的工藝節點下，硅光芯片對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線作為傳輸介質，這些導線具有高導電性和高導熱性，可以有效地傳輸信號并散熱。雖然金屬導線也有表面粗糙的情況，但由于其導電性和導熱性較好，因此對信號傳輸的影響相對較小。
然而硅光芯片中的微波導主要傳輸光子，而光子具有波動性，易受到電磁場的影響。當微波導的邊緣存在不平整或凸起時，可能會引發電磁場的不連續性，導致信號散射和能量損失。另外，光器件的性能對加工精度也十分敏感，微小的工藝誤差可能導致器件性能的嚴重劣化，因此，硅光芯片對工藝精度更加嚴苛，導致硅光芯片良率降低。
若想有效解決硅光芯片的良率問題，并保證微波導的高性能傳輸，需要針對性地優化硅光制造工藝，以實現波導邊緣的平滑和提高光器件加工精度，從而提高信號傳輸的質量，保障光器件的性能和可靠性。
