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硅光:AI推动算力需求飙升!主流技术选择迎产业爆发丨黄金眼

作者: 全景财经 | 10天前 15:31
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随着AI模型持续迭代,算力资源仍然趋紧,AI模型推理需求或将持续上升,蓬勃算力需求正推动硅光芯片时代来临。

01

硅光技术何许人也?

光模块(Optical Modules)是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件,是光通信中的重要组成部分,光模块的产业发展趋势正向着“高速率、低成本、低功耗”发展。

硅光技术则将光通信的传输速率、集成度向更高水平推进,是满足不断发展的大数据、人工智能、未来移动通信等产业对高速通信需求的核心技术选择之一,并可应用于生医感测、量子运算、激光雷达等新兴的外延应用领域。

“芯片出光”是硅光技术核心理念,硅光技术利用成熟半导体CMOS工艺将光和电器件的开发与集成到同一个硅基衬底上,使光与电的处理深度融合到一块芯片上,真正实现“光互连”。与传统光电子相比,硅光具备集成度高、成本低、功耗低等显著优势。

硅光单片集成

资料来源:《硅基光电异质的集成与思考》

首先,硅光模块的光源成本相比较传统分立式方案能够大幅降低。其中英特尔的激光器方案采用异质集成方案,成本就比较低;目前大部分厂商的光源方案采用大功率CW光源,将传统EML激光器中的EA调制器功能转移到硅光芯片上,成本显著降低。

同时,硅光芯片能够集成发射端的准直镜、波分复用器件等光器件,从而实现成本降低。

并且通道数越多,硅光方案制造工艺成本越有优势。400G往800G和1.6T升级时,主流方案中的通道数从四通道升级到八通道,传统方案中制造工艺步骤大幅增加,成本显著增长,而硅光芯片只需要多设计四个通道,工艺上变化较小,成本较低。

传统和硅光模块的成本拆分对比

资料来源:CW-WDMMSA

同时,硅光芯片还使得电子元件与光学元件能够在同一芯片上集成,提高了集成度和系统性能。硅的折射率高达3.42,与二氧化硅可形成较大的折射率差,确保硅波导具有较小的波导弯曲半径,从而减小器件尺寸并提高集成度。此外,硅对于波长为1.1~1.6微米的光波近乎无损透明,因此完全与光通信器件的1.3~1.6微米工作波段兼容。

此外,硅光技术有较高的带宽,能够在极小的波长范围内传输大量数据,相比传统的电传输技术,光传输能提供更高的数据传输速率和带宽,极大提升通信效率,这也意味着在数据中心和高性能计算中,使用硅光技术可以实现更低的传输延迟。

02‍

契机已至

2023之后开启量产

其实硅光技术并没有那么“新”。

早在1969年,贝尔实验室提出硅光子技术。1985年,硅基光子集成电路(PIC)问世。1991年至1992年,在厚绝缘体上硅(SOI)工艺中实现了低损耗波导。在这个阶段,硅光子技术主要处于理论和实验研究阶段,探索硅材料在光子学领域的应用可能性。相较于集成电路的成熟发展和规模化应用,硅光技术在诞生之后的30多年里发展一直相对缓慢,产业生态系统尚不成熟。

2000年至2009年,为硅光技术的技术突破阶段。硅光子技术开始取得一系列重要的技术突破,PIC的组件数量开始增长,低损耗波导和多种光学器件的研发成功,为硅光子技术的进一步发展奠定了基础。2010年,英特尔开发出首个50Gb/s超短距硅基集成光收发芯片,标志着硅光芯片开始进入产业化阶段,之后十余年间硅光技术进入集成应用时期。

2023年后,硅光迎来产业爆发契机。3月份,OpenAI正式发布GPT-4,参数量达到万亿级别。在全球大模型热潮下,算力需求正呈指数级增长态势,驱动硅光需求不断上升。同时,海内外巨头公司瞄准硅光赛道收并购频发,科技巨头公司高度重视硅光技术。目前投入研发的公司不仅包括Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago等光通信公司,Intel、IBM、思科、Imec等半导体厂商和华为等设备商也加入了这一领域的竞争。10月,Intel宣布将硅光子业务的可插拔模块部分出售给Jabil,专注于更高价值的组件业务和光学I/O解决方案。

2024年4月,台积电在2024年北美技术研讨会上概述了其3D光学引擎路线图,并制定了为全球带来高达12.8Tbps光学连接的计划。5月16日,中国光谷·光电子信息产业创新发展大会于中国光谷科技会展中心隆重开幕,会上光迅科技展出了重要技术里程碑的1.6TOSFP—XD硅光模块,其采用先进的CMOS技术实现高度集成、简化封装和大规模生产。这种基于硅光的光模块因其超高的传输速率和可靠性,可在数据中心和云计算等领域实现高速互连。

光迅科技1.6T硅光模块 资料来源:光迅科技公众号

近日,国家信息光电子创新中心和鹏城实验室的光电融合联合团队完成了2Tb/s硅光互连芯粒的研制和功能验证,在国内首次验证了3D硅基光电芯粒架构,实现了单片最高达8×256Gb/s的单向互连带宽。

03‍

市场空间有多大?

根据Yole官网,2022年全球硅光芯片市场空间为6800万美元,预计到2028年将增长到6亿美元以上,2022-2028年CAGR达44%。这一增长将主要受到800G高数据速率可插拔模块的推动。此外,快速增长的训练数据集规模的预测表明,数据将需要在ML服务器中使用光学I/O来缩放ML模型。

而根据Light Counting资料显示,人工智能集群对光连接的需求激增,扭转了GaAs VCSEL市场份额下降的趋势。英伟达购买了近200万个400GSR4和800GSR8光模块,并计划今年再购买400万个。

Light Counting预计基于GaAs和InP的光模块的市场份额将逐步下降,而硅光子(SiP)和铌酸锂薄膜(TFLN)PIC的份额将有所上升。LPO和CPO的采用也将促进SiP甚至TFLN器件的市场份额增长。预计2029年,硅光芯片的销售额将达到30亿美元。

04‍‍‍

相关企业有哪些?

首先在硅光工艺设备方面,相比较传统光模块,硅光的组装工艺步骤大大简化,但硅光工艺的精度要求较高,主要是由于耦合损耗通常是硅光模块中较高的损耗组成部分。在400G及以上的光模块中,功耗是很重要的性能参数之一,若耦合损耗较高,则光模块功耗会有明显增加,且耦合损耗掉的能量主要以热的形式消耗掉,对散热的要求也会有一定的提升。

硅光模块的组装涉及到的高精度工艺主要包括,贴片、耦合和测试。硅光工艺设备中除了包括高精度的硬件,软件和配套的技术支持也是非常重要的组成部分。同时,在未来CPO光引擎、芯片间光互连等领域,对于硅光组装工艺的要求将会越来越高。

Ficontec是全球光子及半导体自动化封装和测试领域的领先设备制造商之一,在硅光封装设备领域具备较强的竞争力。罗博特科目前间接持有Ficontec约18.82%的股权,未来或将收购剩余81.18%股权达到全资控股。

在硅光模块大功率CW光源方面,由于相比较传统的EML激光器,大功率CW激光器为硅光模块提供连续的光信号,光功率保持不变,将调制功能剥离到硅光芯片上的调制器上,这样既可以降低激光器成本,也可以降低光模块的失效比例,因此是硅光模块主要采用的激光器方案之一。包括源杰科技、仕佳光子等在内的国内多家光芯片公司都在布局,均推出了各种功率的CW光源产品。

硅光器件和硅光模块是硅光子产业链的主力环节,头部厂商在硅光子技术的深度布局也将影响硅光产品的渗透率。此前硅光子技术推动者主要是海外巨头厂商,包括英特尔、思科和Lumentum等。随着硅光子技术的不断发展,多家国内外厂商具备了硅光子技术的设计和封装等能力,有望加速硅光子产品的渗透。

其中中际旭创是全球领先的光模块头部厂商,在硅光芯片领域深耕多年,公司在400G、800G等产品都有硅光产品的布局,有望在2025年能够实现批量化出货。

天孚通信的光引擎产品,既有传统分立式方案也有硅光方案。在硅光方案中,天孚通信既可以提供配套的FA连接器、MT产品、PM产品等光无源器件,也可以提供硅光封装工艺,具备较强的竞争力。博创科技则与海外硅光芯片头部厂商保持深度合作,高速光模块具备较强优势。

此外还有硅光工艺代工厂,目前大部分硅光器件/模块厂商都会选择自己定制化芯片设计,然后将版图给到代工厂进行流片。当前中芯国际等厂商在布局硅光子技术。燕东微硅光工艺平台的一款光通信产品已实现工艺贯通,进入样品批试制阶段。

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