硅光芯片行业深度分析,AI 时代硅光子迎新机遇 | 研报推荐

IM2MakerOpr 6天前

注:原文为开源证券《AI 高速率时代,硅光子迎成长机遇》,分析师:蒋颖

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料,利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,是实现光子和微电子集成的理想平台。

随着传统微电子、光电子技术逐步步入“后摩尔时代”,硅光产业链逐步完善,已初步覆盖了前沿技术研究机构、设计工具提供商、器件芯片模块商、Foundry、IT 企业、系统设备商、用户等各个环节,并被广泛应用于光通信、光传感、光计算、智能驾驶、消费电子等多个领域。

在名为《AI 高速率时代,硅光子迎成长机遇》的深度研报里,分析师从多个角度介绍了硅光子技术的最近进展。

以下为内容节选:

一、硅光子技术:后摩尔时代重要技术平台

1、硅光子技术简介

硅光子技术是利用硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI等)作为光学介质,通过集成电路工艺来制造相应的光子器件和光电器件(包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等),这些器件用于对光子的激发、处理和操纵,实现其在光通信、光互连、光计算等多个领域的应用。

在当前“电算光传”的信息社会下,微电子/光电子其技术瓶颈不断凸显,硅基光电子具有和成熟的CMOS微电子工艺兼容的优势,有望成为实现光电子和微电子集成的最佳方案。

从需求发展来看,光电子和微电子集成源动力来自于微电子/光电子各自的发展需求,微电子方面,深亚微米下电互连面临严重的延时和功耗瓶颈,需要引入光电子利用光互连解决电互连的问题;光电子方面,面对信息流量迅速增加下的提速降本需求,需要借助成熟的微电子加工工艺平台,实现大规模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生产。

从技术特点来看,硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势,以及基于硅材料的本身特性,硅光子技术主要具有高集成度、高速率、低成本等优点。

从发展历程来看,硅光子技术从最初在1969年由著名的贝尔实验室提出以来,经历了3个主要的发展阶段:1969-2000年的原理探索阶段;2000-2008年的技术突破阶段;2008-2014年的集成应用阶段。目前,硅光子技术已逐渐进入应用拓展阶段:硅光子集成平台被广泛应用于多领域。

从技术演进来看,硅光子技术发展可分为四个阶段,由于受限于硅材料本身的光电性能,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,目前硅光子技术主要集中在第二阶段——硅光子集成阶段。

从工艺角度来看,硅光子集成分为单片集成和混合集成,目前混合集成使用较广,但是单片集成性能更优,是未来发展趋势。

2、硅光PIC核心构成

在硅光的光子集成回路(PIC)中,主要包括光的产生、路由、调制、处理和探测。

其核心器件主要包括:激光器(负责将电信号转化成光信号),光调制器(负责将光信号带宽提升),光探测器(负责将光信号转化成电信号),(解)复用器件(负责将不同波长携带的多路数据合并或分开)、光波导(负责光信号在硅基材料上传输),光栅耦合器(负责与对外连接的光纤对准降低插损)等。

1)激光器

由于硅材料间接带隙的能带结构使得它无法实现高效率的片上光源,目前光源技术仍是硅光芯片的一大技术难题,硅基光源按照集成方式同样可以分为混合集成和单片集成两种方式。

混合集成包括片间混合集成、片上倒装焊混合集成、片上键合异质集成,混合集成方案工艺较为成熟,但成本高、难以大规模集成;单片集成是直接在硅材料上生长特定材料作为激光器增益介质,性能有待提高,但是一直被认为是硅光子片上光源的终极解决方案,能够与硅光子工艺同步缩小线宽、提高集成度,有望实现大规模光电子集成回路。

2)调制器

光调制器是将调制信号加载到光波导上的器件,在光模块中是完成电信号到光信号转换的关键器件,硅光调制器也是硅光集成器件中的核心器件之一。目前硅基调制器的3dB带宽可以达到67GHz以上,可以支持单波200Gbit/s以上速率的调制和传输。

3)光探测器

光探测器(PD)的功能是将输入光信号转换为输出电信号,在光模块中可用在接收端和发射端的MPD。

4)(解)复用器件

(解)复用器件是波分复用技术中实现不同波长携带的多路数据合并或分开的关键器件。波分复用及解复用是将两种或多种不同波长的光信号,在发射端经过复用器合束后,合进同一根光纤中进行传输,然后在接收端,经解复用器将不同波长的光信号进行分离的技术。采用波分复用及解复用技术,可以拓展光互连的通信容量,并减少光纤的使用量从而降低成本。

5)光波导

光波导在硅基光子集成回路中常用于路由,类型有条形波导、脊形波导、弯曲波导。光波导分为核心层和包层,核心层硅材料和包层二氧化硅材料之间存在高折射率差异,该差异一方面使得硅波导的尺寸非常紧凑,另一方面也导致光在波导中的传输损耗对波导的表面粗糙度较为敏感。在实际应用中,如何减少硅波导损耗是硅光器件性能的一大挑战。

6)耦合器

硅基波导光学耦合技术主要用于解决硅基集成光电芯片上的光信号同外部光信号互连的问题,是硅基光电芯片封装的关键技术。

3、硅光子工艺流程

硅光产品整体生产流程包括设计、制造、封装三大过程。

硅光子集成技术作为利用CMOS工艺的一个新兴技术方向,从设计方法、设计工具和流程、基于工艺平台的协同设计等方面很大程度上参考和借鉴了微电子的相关技术,这使得在实际生产中,硅光芯片的设计者能比较便利地享受晶圆厂成熟工艺的流片服务,同时硅光子学并不需要最先进的纳米光刻技术,可以使用光刻水平较低的老式代工厂带来成本效益。整体流程上主要经过设计、制造和封装,近年来在制造和设计技术瓶颈逐渐取得突破,封装成为出货量和良率受制的主要因素。

设计环节主要是负责硅光产品的电路图与内部结构的规划。

制造和封装环节主要负责将晶圆加工成硅光芯片,并完成相应器件的封装和测试。

4、硅光子技术面临的挑战

硅光子集成技术具有广阔的市场前景,但目前仍然面临诸多挑战:

硅光器件的性能问题。目前的硅光子技术已可以替代很多传统的光器件,但还有一些需要克服的技术难题,比如如何减少硅波导的损耗、如何实现波导与光纤的有效耦合、如何克服温度对于功率和波长稳定性的影响等。这些技术难题会影响到硅光子技术的普及以及在数据中心场景中的应用。

测试流程和方法。与常规的大规模集成电路芯片不同,光电芯片本身成本高、制造流程多、工艺复杂、废品率高,因此需要先在晶圆上进行测试和筛选,然后再和其他电芯片进行集成,以避免残次芯片造成的不必要的后期封装成本。

缺乏标准化方案。硅光芯片在各个环节都缺少标准化方案,例如:设计环节需要使用专用的EDA工具,制造与封装环节缺乏提供硅光工艺晶圆代工服务的厂家。这使得硅光子技术大规模产业化变得更加困难。

但总体来看,硅光子技术近年来的高速发展已给诸多行业带来了重大的技术性革新。

二、硅光子芯片其他重要概念

1、1.6T高速光通信时代提速到来,硅光光模块或迎产业加速期

硅光光模块具有高集成度、低功耗、低成本、小型化等优点。硅光光模块与传统光模块相比,其工作原理基本相似,主要区别集中于基于CMOS制造工艺进行硅光芯片集成所带来的器件和技术差异。

总的来说,从应用场景来看,在不同速率和距离的与传输距离下,硅光子技术相比III-V器件竞争优势有演进的过程。

2、CPO:硅光CPO或成为未来高速光通信发展方向

CPO有望替代传统可插拔光模块。传统光电互连采用的板边光模块,走线较长,寄生效应明显,存在信号完整性问题,且模块的体积较大、互连密度低、多通道功耗较大。共封装技术将光收发单元与ASIC芯片封装在一个封装体内,通过将光子器件和电子器件封装在同一个载板上,进一步缩短了光信号输入和运算单元之间的电学互连长度,在提高光模块和ASIC芯片之间的互连密度的同时实现了更低的功耗。

CPO相较于可插拔光模块,带宽密度提升一个数量级,能量效率优化40%以上。目前基于硅基材料的光电芯片共封装技术发展最为迅速,理想情况下,CPO可以逐步取代传统的可插拔光模块,将硅光子模块和超大规模CMOS芯片以更紧密的形式封装在一起,从而使系统成本、功耗和尺寸都得到进一步优化。CPO方案众多,其中核心PIC多基于硅光方案。从物理结构分类

CPO可分为3种技术形态:2D平面CPO、2.5DCPO和3DCPO。

3、OIO:硅光子技术是片间互联的重要解决方案

光互连有望解决片间互联的瓶颈问题。芯片间通信主要采用片间互联技术(如PCIe、以太网、RapidIO、SPI等),随着芯片制程的逐步缩小,芯片的互连线也需要越来越细,互连线间距缩小,电子元件之间引起的寄生效应也会越来越影响电路的性能,因此互连线引起的各种效应成为影响芯片性能的重要因素。特别是随着AI对数据中心等通信基础设施的传输效率提出了更高的要求,传统技术方案中铜I/O正在接近物理极限,将难以支持数据中心服务器的密度提升,同时其集成度低、功耗高的问题也逐渐显现。光互连不同于传统互连材料如铝、铜、碳纳米管等,不易受到互连线材料的物理极限影响;在制造工艺上,光子芯片和电子芯片虽然在流程和复杂程度上相似,但光子芯片对结构的要求不如电子芯片严苛,一般是百纳米级,降低了对先进工艺的依赖度,因此,在AI高速通信时代,光互联有望成为片间互联的理想选择。

OIO主要解决计算芯片之间的互联问题。

OIO(In-PackageOpticalI/O)是一种基于芯片的光互联解决方案,与计算芯片(CPU、GPU、XPU)集成在同一封装中,旨在实现分布式计算系统中它们之间的无缝通信(跨板、机架和计算行),在相同能效情况下,OIO的边带宽密度与UCle、NVlink、PCIe等电互连相当,但传输距离远超电互连。OIO基于光互连低延迟、高带宽和低能耗的特点,非常适用于计算结构(即内存语义结构),有望成为为机器学习扩展、资源分解和内存池定制的新数据中心架构的关键驱动力。

三、硅光子在多领域应用潜力大

硅光子技术的CMOS工艺兼容、高集成度、波导特性在众多领域存在应用可能,如智能驾驶、光计算、消费电子等方向有很大的发展空间。

1、智能驾驶:硅光固态激光雷达技术路线是未来激光雷达发展的优选方向

硅光方案助力激光雷达降本放量。激光雷达技术方案众多,硅光芯片化集成有望助力激光雷达完成成本控制进而实现上车放量,硅光固态激光雷达或成未来发展方向。

从产业发展来看,激光雷达要实现规模化量产上车需要满足高性能和低成本两方面,目前多数方案都是依靠各类分立器件的集成来实现雷达系统,缺点是成本高、尺寸大、功耗高、可靠性低,在大规模上车上存在挑战。通过硅光子技术实现芯片化集成,可以降低系统成本、实现规模化应用,具备高性能、低成本、小尺寸、低功耗等优点。

具体方案上,硅光固态激光雷达包括硅基相控阵激光雷达和硅基光开关阵列激光雷达两种。

2、光计算:硅光有望成为实现集成光计算系统的主要材料平台

光计算是采用光作为信息处理的基本载体,基于光学单元构建光学系统,通过必要的光学操作,从而实现信息处理或数据运算的新型计算体系。

随着全球算力规模的不断扩大以及算力升级面临的低碳问题,光计算相较于传统电子计算机具备天然的并行计算能力、低功耗、高速低时延、抗干扰能力强等优点,在特定场景中,有望替代传统电子计算机,是解决摩尔定律困境以及冯•诺依曼架构瓶颈问题具备潜力的途径之一。

硅光因其CMOS工艺兼容、集成度高等优势,有望成为集成光计算系统的主要平台。

光量子计算关键硬件组件包括量子光源、单光子探测器以及光量子芯片,其中光量子芯片是核心,是各企业研发重点。

硅材料具有很强的三阶非线性效应和紧致模式约束特性,利用半导体微纳加工工艺,可以实现高密度片上集成的光量子芯片基础器件,如光波导、光分束器、光耦合器、光调制器等。

总之,得益于其硅基光量子芯片技术的大规模集成、可编程配置等优势,推动其在基于光学系统的量子计算、量子模拟以及量子信息处理等应用方面取得了一系列进展,在未来实现可实用化大规模光量子计算与信息处理应用方面展示出较大潜力。目前,多个光量子计算企业通过与芯片制造商合作或自建芯片实现研发光量子芯片。

3、消费电子

硅光子技术高集成度契合消费电子的空间需求消费电子需要在有限空间内集成较多器件,对尺寸较为敏感,硅光的高集成特性契合消费电子的需求,如可穿戴设备、生物医疗等。根据YoleGroup预测,2027年基于硅光子技术的消费医疗市场规模有望达到24亿美元。

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