硅光芯片，终于到了拐点？

在过去的几十年里，硅无疑是半导体行业转型的皇冠上的明珠。但随着摩尔定律的停滞、电路复杂性的增加以及数据密集型应用的爆炸式增长，公司需要更创新的方法来更快地计算、存储和移动数据。因此，规模、速度和能力已成为处理高级智能和计算需求的潜在力量。

与传统电子集成电路相比，硅光子学已经凭借其令人印象深刻的性能、能效和可靠性赢得了据点。总体速度要求已经变得足够快，有利于技术的优势在不断缩短的距离内有效地传输数据。与此同时，人工智能 (AI) 正在将计算推向电子元件需要远距离通信以组合和集成多个 XPU（专用处理单元）的地步。

硅光子学的研究和商业化也出现了同步增长，数据通信、电信、光学计算和 LiDAR 等高性能传感应用等市场也见证了它的优势。根据 LightCounting 的研究，基于硅光子学的产品市场预计将从 2018-2019 年的 14% 增长到 2025 年的 45%，这表明该技术的采用出现了拐点。

随着越来越多的公司合作和投资硅光子学以解决当前的电气 I/O 和带宽瓶颈，以及现有分立元件在提供指数级增长和性能方面面临的挑战，这不足为奇。

这种市场转变和愿望并非一蹴而就。

我们是如何走到这一步的：从真空管到互连 

从 20 年代到 50 年代，所有电子元件都是独立的元件——主要是真空管，它们控制施加电压的电极之间的电流流动。不久之后，第一个晶体管被发明出来，这标志着电子工业取得非凡进步的开始。随后，随着集成电路的诞生，该行业进一步扩大——一个芯片嵌入了数百万或数十亿个晶体管。微处理器的发展很快跟进，从袖珍计算器到家用电器，一切都从中受益。

经典微处理器在整个 1990 年代速度不断提高，但自 2003 年左右以来，主流处理器已达到 3 GHz 时钟壁垒。尽管晶体管的数量在增加，但不仅处理器过热，而且更小的晶体管也不再高效。这意味着通过铜线将数据从一个计算芯片传输到内存或另一个计算芯片不再可持续，无论距离多短，并且这增加了不同程度的困难。

隧道尽头的光变成了硅光子学。

该行业开始看到利用光能并将半导体激光器与集成电路相结合的前景。电子学的悠久历史和发展启发了研究人员和工程师寻找在芯片上集成功能的新方法，并使用明确定义波长的光束比电互连更快。

今天，类似的物理轨迹正在以每通道 100 Gbit/s 的速度进行芯片的电气互连（4 级 50 Gbit/s），其中必须添加大量均衡功率才能将信号推送到铜线上。事实上，在每通道 200 Gbit/s（100 Gbit/s 的四个级别）下，这个问题会变得更糟。

另一方面，光子互连不会遇到同样的问题，因为光纤可以轻松传输数 TB 的数据。简而言之，与电子方法相比，利用光子学来传输信息可以显着提高速度和能源效率。

力量与速度的竞赛 

每一点加速都是以更多的功耗为代价的。随着电路及其设计的复杂性增加——无论是高通道数、密集传感还是太比特互连——团队将不可避免地需要摆脱分立的方法。我们已经在行业内看到这种转变，公司从分立元件转向硅光子学，并最终转向具有片上单片集成激光器以增加光学增益的平台。

在互连领域，仍然非常重视每个引脚的数据速率。今天，100 Gbit/s 互连分四个级别完成，速度为 50 Gbit/s，以获得两倍于 50 Gbit/s 数据链路的数据量。但是 200 Gbit/s 互连最终会推动更多功率通过它，以便通过电气互连获得该信号。最终，消耗的电量最终成为一个问题，尤其是当被推到更远的距离时。因此，团队无法通过这些电气互连来容纳更多数据。

光纤不是这种情况。将光纤想象成一条开放的千车道高速公路。计算盒可以设计成与数据中心一样大，而无需牺牲更小的带宽进行互连。但是，当使用分立组件时，处理器的尺寸会受到其互连的限制。

今天，一些公司正在采用 12 英寸的晶圆，并用它制造一个单一的、巨大的芯片，互连设计用于保持所有内核高速运行，因此晶体管可以作为一个整体协同工作。然而，随着现代计算架构越来越接近其理论性能极限，这些带宽需求的复杂性和规模也在增加，从而使激光集成的成本更高。使用标准的硅光子学，需要单独连接一个激光器，这不能很好地扩展到多个通道。

集成激光器：与下一代设计相匹配

长期以来，激光集成一直是硅光子学领域的一大挑战。主要关注领域指向设计层面涉及的物理学基础知识，以及与芯片分立激光器的制造、组装、添加和对准相关的不断上升的成本。当处理激光通道数量和总带宽的增加时，这将成为更大的考验。

迄今为止，硅光子学已经在芯片上嵌入了多个光子元件，但直到现在还缺少一个关键元素是集成增益。片上增益脱离了标准的硅光子学，实现了新的集成水平，并增强了整体计算和处理能力。这有助于提供芯片之间和内部的高速数据传输，其数量级远高于分立设备所能达到的数量级。该技术以更低的功率驱动更高性能或降低设计成本和制造工艺的先进能力有助于推动它们的采用。

以激光雷达等超灵敏传感应用为例。对于相干 LiDAR，来自发射器的光需要与接收器混合以返回信息，这就是它以较低功率获得更好距离信息的原因。通过在单个芯片上集成激光器，这个过程变得更加容易，因为您可以分离光并将其放在电路的不同部分。如果您要对分立元件执行此操作，则需要大量封装。虽然其优势的程度取决于电路的复杂性，但这是相干调频连续波 (FMCW) LiDAR 等方法真正受益于集成方法的核心原因。共同封装的光学器件和片上系统 (SoC) 接口。（由 OpenLight 提供） 

硅光子学会取代电互连吗？

将用于半导体激光器的磷化铟等材料直接加工到硅光子晶圆制造工艺上可降低成本并提高功率效率和片上增益，还可以简化封装。使用单片集成激光器，良率仍然很高，而使用分立元件扩展设计会导致不可接受的良率。在这一点上，即使是一个电路中的几十个元件也是革命性的。

然而，就像采用任何新技术一样，生态系统正在经历一个学习曲线。大多数制造单位仍然习惯于将磷化铟和砷化镓（用于制造激光器）等材料与硅键合。由于它们不同的物理和热特性，一些进入障碍与需要克服的离散方法有关。简而言之，几十年来一直致力于 8 英寸或 10 英寸晶圆和不同材料纯度的晶圆厂现在需要学习如何使用更新的材料和不同的设计空间，使工艺独一无二。

具有集成增益的硅光子学

随着硅光子技术的发展步伐，公司和代工厂将不可避免地扩大合作和研发投资，为组件和集成解决方案提供坚实的光子生态系统。随着收发器扩展到 8 或 16 通道，硅光子学将成为唯一能够以更低的功耗和合理的成本提供所需性能的技术。

有些人可能会争辩说，由于每个应用程序的复杂性各不相同，而且底层电路处于核心地位，因此在完全自主或高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 等领域的潜力方面可能仍然存在一些未知数，但在没有它的好处是不可见的。

在某个时候，硅光子学将足够成熟，某些关键指标（包括带宽、成本和每比特能量）将足以取代电子产品。展望未来，转向光学的主要价值将是它的影响范围。

审核编辑 ：李倩