從去年底到今年3月，與硅光芯片相關(guān)的報道又多了起來——從阿里巴巴達(dá)摩院將硅光芯片列入2022十大科技趨勢、曦智科技(Lightelligence)發(fā)布高性能光子計算處理器PACE，到日前GlobalFoundries發(fā)布其硅光子工藝平臺Fotonix、Marvell發(fā)布400G DR4硅光平臺、AMD/Xilinx和Ranovus合作發(fā)布集成Versal ACAP和Ranovus Odin光通信模組的系統(tǒng)——那么，熱鬧的新聞背后，到底蘊(yùn)藏著哪些新的市場商機(jī)？ biOesmc

突破摩爾定律限制

根據(jù)達(dá)摩院的趨勢解讀，硅光芯片的崛起、技術(shù)突破和快速迭代、以及高速增長的商業(yè)化需求，歸因于云計算與人工智能的大爆發(fā)。大型分布式計算、大數(shù)據(jù)分析、云原生應(yīng)用讓數(shù)據(jù)中心內(nèi)的數(shù)據(jù)通信密度大幅提升，數(shù)據(jù)移動成為性能瓶頸。傳統(tǒng)光模塊成本過高，難以大規(guī)模應(yīng)用，硅光芯片則能夠在低成本的前提下有效提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)集群之間、服務(wù)器之間、乃至于芯片之間的通信效率。biOesmc

以超大型數(shù)據(jù)中心為例，根據(jù)Equnix的數(shù)據(jù)，2017年-2021年全球互聯(lián)網(wǎng)帶寬容量的年復(fù)合增長率達(dá)到了48%，2020年開始正式進(jìn)入400G時代，并有望于2022年進(jìn)入800G時代。屆時，將有數(shù)百萬個400GbE+的硅光子收發(fā)器與數(shù)十萬臺服務(wù)器互連，并將通過新型低延遲的DCI架構(gòu)擴(kuò)展AI的邊緣，提升高性能計算的算力。biOesmc

據(jù)Yole Development估計，硅光光模塊市場將從2018年的約4.55億美元增長到2024年的約40億美元，復(fù)合年增長率達(dá)44.5%。而LightCouting的數(shù)據(jù)則顯示，到2024年，硅光光模塊市場市值將達(dá)65億美金，占比高達(dá)60%，而在2020年，這一數(shù)字僅為3.3%。biOesmc

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2017-2023年全球光模塊市場規(guī)模及結(jié)構(gòu)預(yù)測(資料來源：Lightcounting)biOesmc

另一方面，據(jù)Open AI統(tǒng)計，自2012年，每3-4個月人工智能的算力需求就翻倍，當(dāng)前電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，難以滿足高性能計算不斷增長的數(shù)據(jù)吞吐需求，而硅光芯片具備的更高計算密度與更低能耗特性，正是極致算力場景下所需要的解決方案。biOesmc

曦智科技創(chuàng)始人兼CEO沈亦晨博士此前在接受本刊采訪時，將算力、數(shù)據(jù)傳輸和存儲視作當(dāng)前電子芯片在發(fā)展過程中遇到的三個主要瓶頸。以最具代表性的圖像/語音識別類AI應(yīng)用為例，數(shù)據(jù)顯示，與2012年相比，當(dāng)前最大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型大約是當(dāng)時的15-30萬倍，且仍在持續(xù)增長。但與之形成鮮明對比的，是底層算力的增長遠(yuǎn)未達(dá)到這一幅度，制約了人工智能的進(jìn)一步發(fā)展。biOesmc

算力為什么難以跟上AI模型的演進(jìn)速度？半導(dǎo)體制程微縮逐漸接近物理極限導(dǎo)致的摩爾定律放緩和晶體管功耗散熱問題是兩大主因。biOesmc

“2015年以后，隨著晶體管體積越來越小，隧穿現(xiàn)象日趨明顯。這意味著，即使把單個晶體管做得再小，其在運(yùn)算時的功耗也沒辦法進(jìn)一步降低。但如果為了增強(qiáng)算力增加芯片面積，或是采用芯片級聯(lián)的方式，功耗又會顯著增長。”沈亦晨說，這就是為什么兼具高通量、高能效比、超低延遲特性的硅光技術(shù)能成為新興技術(shù)方向之一的原因。biOesmc

光計算成為新看點(diǎn)

自20世紀(jì)70年代末以來，光纖基礎(chǔ)設(shè)施一直被用于長距離的通信信號傳輸，因?yàn)橄啾茹~基電纜，光纖的帶寬容量更大、數(shù)據(jù)速率更高，且延遲更低。從那時起，高能效光互連就不斷滲入重要的電信網(wǎng)絡(luò)，直至進(jìn)入數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的機(jī)架到機(jī)架數(shù)據(jù)鏈路。但隨后越來越多的研究表明，硅光芯片不僅可以用于光通信，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算和量子計算為代表的計算領(lǐng)域，也正成為其釋放魅力的舞臺。biOesmc

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終端應(yīng)用領(lǐng)域及市場趨勢推動硅光子的技術(shù)發(fā)展 圖源：soitecbiOesmc

Soitec全球業(yè)務(wù)部光子材料專家Corrado Sciancalepore在日前撰寫的一篇文章中，詳細(xì)介紹了硅光子是如何賦能量子計算和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)市場的。biOesmc

硅光子用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

與硅光用于通信傳輸領(lǐng)域極為相似的是，全光計算(all-optical computing)還可以用來實(shí)現(xiàn)更快的計算，而其功率預(yù)算僅為傳統(tǒng)數(shù)字電子計算架構(gòu)的一小部分。biOesmc

眾所周知，現(xiàn)在的數(shù)字計算機(jī)是基于晶體管的，它通過打開和關(guān)閉電子信號構(gòu)成基本的邏輯門電路。但通過光來傳輸數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)則完全不同，因?yàn)楣庾悠骷€性度極高，通過級聯(lián)不同級別的線性集成光子器件，就能夠組成光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Optical Neural Network，ONN)的相應(yīng)層。通過這種方式，僅僅依賴從ONN一端流向另一端的光，即可完成順序矩陣的乘法或轉(zhuǎn)置。biOesmc

兩家初創(chuàng)企業(yè)——Lightmatter和曦智科技都是光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器領(lǐng)域的佼佼者。其中，曦智科技已經(jīng)在2021年底發(fā)布了最新的高性能光子計算處理器——PACE(Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎)，其在單個光子芯片中集成了超過10,000個光子器件，運(yùn)行1GHz系統(tǒng)時鐘，算力是上一代處理器的100萬倍以上，運(yùn)行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)目前高端GPU的數(shù)百倍。biOesmc

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曦智科技最新光子計算處理器PACEbiOesmc

硅光子用于量子信息處理

量子技術(shù)現(xiàn)在已發(fā)展成為一個嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域，通過在量子力學(xué)系統(tǒng)中對信息進(jìn)行編碼，繼而處理、存儲和傳輸?shù)目赡苄?，將為不同的技術(shù)領(lǐng)域帶來巨大突破，例如計算、通信、計量、傳感，甚至制造技術(shù)。與此同時，數(shù)量眾多的量子解決方案初創(chuàng)公司，以及谷歌、IBM、英特爾、微軟和東芝等行業(yè)巨頭們無不齊頭并進(jìn)地大力投資于量子技術(shù)。biOesmc

在所有技術(shù)中，硅光子被公認(rèn)為一項關(guān)鍵技術(shù)，三點(diǎn)特質(zhì)讓它非常的與眾不同：一是硅光子可以利用成熟的CMOS制造工藝，以低成本和高吞吐量實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光電路和系統(tǒng)的商用；其二，它在本質(zhì)上能與CMOS邏輯和數(shù)字電路共集成，能夠?yàn)楣怆娐诽峁┢想娮域?qū)動器和數(shù)據(jù)處理功能；其三，硅光子還能夠集成其他光子材料，如SiN和III-V半導(dǎo)體。biOesmc

協(xié)同封裝與芯片整合

既然將硅光和CMOS的優(yōu)勢整合在一起，是一件“非常自然的事情”。沈亦晨也說他相信硅光子芯片“極有可能成為我們這個時代最重要的技術(shù)創(chuàng)新之一”，高能效、低延時和高通量也是光學(xué)矩陣運(yùn)算能夠超越摩爾定律，繼續(xù)提升算力的關(guān)鍵所在，那么，這一刻會很快到來么？biOesmc

Maybe Yes, maybe No

之所以會這么說，是因?yàn)楫?dāng)前硅光芯片的核心挑戰(zhàn)主要來自產(chǎn)業(yè)鏈和工藝水平。例如，硅光芯片的設(shè)計、量產(chǎn)、封裝等未形成標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化，進(jìn)而導(dǎo)致其在產(chǎn)能、成本、良率上的優(yōu)勢還未顯現(xiàn)；光計算領(lǐng)域的挑戰(zhàn)是精度低于電子芯片，進(jìn)而限制其應(yīng)用場景，集成度也需要提高來提升算力，使得整體的商業(yè)化過程比較漫長。biOesmc

如果要盡快突破上述瓶頸，硅光器件的未來將呈現(xiàn)兩大趨勢：協(xié)同封裝與芯片整合。前者是通過TSV封裝的形式，將CMOS芯片與光學(xué)芯片整合在一起；后者則是完全形成單芯片解決方案，不再需要任何銅線連接，主要應(yīng)用于光學(xué)的輸入和輸出。biOesmc

作為目前對硅光子技術(shù)投入力度最高的主流晶圓代工廠，格芯(GLOBALFOUNDRIES)近期推出的新一代顛覆性的硅光平臺GF Fotonix為此做出了新的嘗試。GF Fotonix是一個單芯片平臺，在業(yè)界首先將差異化300mm光子功能和300GHz級別RF-CMOS結(jié)合在單個硅晶圓上，從而提供出色的性能。GF Fotonix通過在單個硅芯片上組合光子系統(tǒng)、射頻(RF)元件、CMOS邏輯電路，將以前分布在多個芯片上的復(fù)雜工藝整合到了單個芯片上。biOesmc

從性能指標(biāo)來看，F(xiàn)otonix的單位光纖數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了0.5Tbps/光纖，這樣可以構(gòu)建1.6-3.2Tbps的光學(xué)小芯片，從而提供更快速高效的數(shù)據(jù)傳輸，并帶來更好的信號完整性。此外，由于系統(tǒng)誤碼率降低到了萬分之一，它還能夠支持下一代人工智能(AI)。biOesmc

另一家積極布局硅光子技術(shù)的公司也不容小覷，那就是英特爾。英特爾研究院在2021年12月成立了面向數(shù)據(jù)中心互連的集成光電研究中心，該中心的使命是加速光互連輸入/輸出(I/O)技術(shù)在性能擴(kuò)展和集成方面的創(chuàng)新，硅光子的晶圓級光學(xué)封裝、無熱且節(jié)能的可擴(kuò)展大容量硅光子收發(fā)器等前沿項目赫然在列。biOesmc

當(dāng)然，并非每家企業(yè)都具有“一步到位將硅光子和CMOS整合在同一塊芯片上”的實(shí)力，于是，利用協(xié)同封裝光子(co-packaged optics，CPO)技術(shù)，將硅光模塊和CMOS芯片集成在一起，成為了更多人的選擇。biOesmc

業(yè)內(nèi)專家指出，在CPO技術(shù)興起之前，目前的傳統(tǒng)技術(shù)是把硅光模塊和CMOS芯片獨(dú)立成兩個單獨(dú)模塊，然后在PCB板上連到一起。這么做的好處設(shè)計較為模塊化，CMOS芯片或者硅光模塊單獨(dú)出問題的化都可以單獨(dú)更換，但是在功耗、尺寸和成本上都較為不利，而CPO正好解決了上述問題。目前，Nvidia、AMD、英特爾、Ranovus、Broadcom、Marvell等公司都在大力布局CPO技術(shù)。biOesmc

結(jié)語

光通信與光計算是相輔相成的，光通信中的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)會在光計算中得到應(yīng)用，光計算中要求的低損耗、高密度光子集成也會進(jìn)一步促進(jìn)光通信的發(fā)展，將來數(shù)據(jù)計算和傳輸有可能都在光域完成。biOesmc

光電融合是未來芯片的發(fā)展趨勢，硅光子和硅電子芯片取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，促使算力的持續(xù)提升。預(yù)計未來3年，硅光芯片將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸；未來5-10年，以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計算將逐步取代電子芯片的部分計算場景。biOesmc