硅光芯片从幕后走向台前，制造良率仍是最大问题

近日，记者了解到，台积电将携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子技术、光学共封装（co-packaged optics，CPO）等新产品，该技术适用于45nm到7nm的芯片制程，预计最快明年下半年迎来大单，并在2025年左右达到量产阶段。

这一次，硅光芯片的春天又要来了？

硅光芯片曾经发展不及预期

硅光芯片是一种基于硅晶圆开发出的光子集成芯片，它利用硅光材料和器件通过特殊工艺制造集成电路，具有集成度高、成本低、传输带宽高等特点。在尺寸、速率、功耗等方面具有独特优势，其工艺与硅基微电子芯片基础工艺兼容，可以与硅基微电子实现光电子3D集成芯片。

硅光芯片可通过硅晶圆技术实现高密度集成（来源：英特尔）

事实上，早在上世纪七十年代，就有科学家开始在硅基材料上研究光子学。在2000年左右，硅光子技术开始进入商业应用领域，随后在通信、计算等领域得到小范围的应用。此前，也有多家科技巨头曾研发过硅光芯片相关的产品，但大多数没有实现规模应用。

据了解，华为曾经投入大量资源研发硅光芯片，在2018年首次展示了硅光子芯片的样品，并申请了相关专利。然而，华为在硅光芯片领域的研发进展缓慢，并且最终没有实现大规模商业应用。谷歌在2015年曾宣布成功研发出硅光芯片，并展示了其高速数据传输和处理的能力。然而，在随后的几年里，谷歌并未公开宣布任何关于硅光芯片技术的实质性进展。

中国科学院微电子研究所研究员、硅光平台负责人李志华向《中国电子报》记者表示，市场规模较小是阻碍硅光芯片发展的一大因素。硅光芯片的应用领域主要集中在数据中心和长距离通信等高端市场。在AI市场爆发之前，这些市场的需求相对有限，这也限制了硅光芯片的发展。外加彼时芯片制程的发展还暂未趋于物理极限，人们热衷于通过缩小芯片制程来提升芯片的性能，而非通过硅光子技术提升芯片性能。这也导致了硅光子在此前的发展不及预期。

从“幕后”走向“台前”

如今，硅光芯片再次迎来“春天”，甚至此次还传出了台积电将在2025年大规模量产硅光芯片技术的消息。这项技术开始慢慢从“幕后”走向了“台前”。

这是由于，当前AI技术的快速发展带来数据处理和传输需求增长，硅光芯片正是一种能实现高效、快速、低成本处理和传输大量数据的技术。此外，随着芯片制程逐渐趋于物理极限，“超越摩尔技术”的概念也随之被提出。由于光子芯片对工艺节点的要求不如电子芯片那样严苛，降低了对先进制程的依赖。因此，硅光芯片在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题，也成为了“超越摩尔技术”的关键一员。

“硅光芯片并非取代传统的集成电路技术，而是在后摩尔时代，帮助集成电路扩充其技术功能。此外，由于硅光芯片是基于硅晶圆开发出的光子集成芯片，因此硅光芯片所需的制造设备和技术与传统集成电路基本一致，技术迁移成本较低，这也成为了硅光芯片得天独厚的优势。”李志华说。

基于此，硅光芯片也有了更多的市场需求。国际半导体产业协会(SEMI)预测数据显示，2030年全球硅光子学半导体市场规模预计将达到78.6亿美元，预计复合年增长率将达到25.7%。

数据来源：SEMI

与此同时，硅光芯片也成为全球芯片巨头竞争的另一关键赛道。

台积电此前在硅光芯片领域主推名为COUPE（紧凑型通用光子引擎）的封装技术，其最大的特点是可以降低功耗、提升带宽。有消息称，台积电计划将该技术用于与英伟达的合作项目中，尝试用该技术将多个英伟达GPU进行组合。此外，若此次台积电能如愿与博通、英伟达等大客户共同开发硅光芯片技术，也将会集合各方的技术优势和资源，推动硅光芯片的大规模量产。

另一芯片巨头英特尔也致力于发展硅光芯片技术。例如，英特尔提出的光电共封装解决方案使用了密集波分复用（DWDM）技术，能够在增加光子芯片带宽的同时缩小尺寸。英特尔还提出可插拔式光电共封装方案，该方案是利用光互连技术，让芯片间的带宽达到更高水平。同时，英特尔还在研发八波长分布式反馈激光器阵列，以提升大型CMOS晶圆厂激光器制造能力，实现光互连芯粒技术。

制造良率成最大阻碍

尽管硅光芯片已经迎来从“幕后”走到“台前”的转折点，但是，这一次，台积电能否携手科技巨头成功实现硅光芯片的量产并再次迎来“春天”，还需要看制造良率问题能否得到有效解决。

李志华介绍，在相同的工艺节点下，硅光芯片对工艺精度的要求比纯电子芯片要高很多。纯电子芯片通常使用金属导线作为传输介质，这些导线具有高导电性和高导热性，可以有效地传输信号并散热。虽然金属导线也有表面粗糙的情况，但由于其导电性和导热性较好，因此对信号传输的影响相对较小。

然而硅光芯片中的微波导主要传输光子，而光子具有波动性，易受到电磁场的影响。当微波导的边缘存在不平整或凸起时，可能会引发电磁场的不连续性，导致信号散射和能量损失。另外，光器件的性能对加工精度也十分敏感，微小的工艺误差可能导致器件性能的严重劣化，因此，硅光芯片对工艺精度更加严苛，导致硅光芯片良率降低。

若想有效解决硅光芯片的良率问题，并保证微波导的高性能传输，需要针对性地优化硅光制造工艺，以实现波导边缘的平滑和提高光器件加工精度，从而提高信号传输的质量，保障光器件的性能和可靠性。

编辑：黄飞