相应地，当今的数据中心比以往任何时候都更加迫切地需要更快、更高效的通信网络。随着数据生成和处理量持续飙升，铜以太网等传统电子互连技术已达到其极限。传统的光学系统（使用基本的激光器和光电探测器）无法满足现代数据中心所需的数据速率。
硅光子学应运而生。硅光子集成电路（PIC）结合了光学的优点和集成电路的可扩展性。这种微型设备将多种光子功能集成到单个芯片上，从而能够以光速快速传输数据。 。与依赖电子的传统技术不同，PIC 使用光子来传输信息。
基于PIC的数据中心（数据通信）收发器是集成发送器和接收器功能并支持光纤双向通信的紧凑型设备。它们通过波分复用 (WDM) 实现并行数据传输。这种并行方式极大地提高了每根光纤的总吞吐量，同时节省了宝贵的面板密度并减少了数据中心所需的光纤电缆数量。
随着人工智能和机器学习成为数据中心运营的核心，PIC的作用变得越来越重要。 AI模型的训练需要海量数据，PIC是最好的环节。在可预见的未来，每个AI加速器可能平均需要两个光模块，这也意味着一个巨大的市场正在形成。
Yole报告显示，2023年PIC市场价值9500万美元，预计到2029年将增长至8.63亿美元以上，复合年增长率为45%。这一增长主要是由高数据速率可插拔模块推动的。这些模块增加了光纤网络的容量。此外，快速增长的训练数据集规模表明机器学习 (ML) 服务器将利用数据来使用光学 I/O 扩展 ML 模型，从而进一步推动市场增长。
硅光子产业格局正在逐步形成多元化的参与者。许多初创企业正在推动硅光子技术的发展，瞄准高速收发器、光互连和激光雷达等特定领域。晶圆厂提供制造、工艺生产能力的开发和商业化，为公司扩大硅光子在多种应用领域的规模提供了必要的支持。设备供应商在提供生产高性能光子器件所需的精密工具方面发挥着重要作用。
新市场就是新机遇。不同的半导体制造商已经开始关注硅光子学。
传统巨头
英特尔无疑是巨头中第一个开始研究硅光子的厂商。 30多年来一直致力于硅光子技术的研究和开发。据英特尔介绍，自2016年推出硅光子平台以来，英特尔已出货超过800万片PIC和超过320万片集成片上激光器，这些产品已被多家大型云服务提供商采用。
英特尔推出的硅光子技术主要通过CMOS制造工艺将激光器、调制器、探测器等光学器件和电路集成在同一硅基板上，实现电子与光学的高效结合。它支持波分复用（WDM）技术，可以在单根光纤上同时传输多个波长的光信号。它还拥有高效的光电转换技术，使得硅光模块能够在数据中心等场景中提供高性能互连。
英特尔此前推出的100G和400G硅光子模块已经大规模商用，并正在与云计算巨头和网络设备商合作，推动硅光子技术的标准化和普及。
值得注意的是，在今年6月的光纤通信大会（OFC）上，英特尔推出了业界首款全集成光计算互连（OCI）芯片组。该芯片组与英特尔CPU共同封装，在运行实时数据时进行了演示，标志着高带宽互连技术的重大进步。
英特尔表示，这一进步用光学 I/O 取代了 CPU 和 GPU 中的电气 I/O 来传输数据，就像从使用容量和范围有限的马车运输货物转变为使用大量数据来传输货物一样。可以进行更长距离的运输。汽车和卡车的货物。
完全集成的 OCI 芯片组利用英特尔的硅光子技术，将包含片上激光器和光放大器的硅光子集成电路 (PIC) 与电子 IC 集成。英特尔表示，OFC 上展示的 OCI 芯片组与英特尔 CPU 共同封装，但也可以与下一代 CPU、GPU、IPU 和其他片上系统 (SoC) 集成。
这是第一个支持高达 4 太比特每秒 (Tbps) 双向数据传输的 OCI 实现，并且与外围组件互连 (PCIe) Gen5 兼容。实时光链路演示利用单模光纤 (SMF) 跳线在两个 CPU 平台之间建立发送器 (Tx) 和接收器 (Rx) 连接。 CPU 生成并测量了光学误码率 (BER)，演示显示了单根光纤上间隔为 200 GHz (GHz) 的八个波长的 Tx 频谱，以及 32 Gbps Tx 眼图，显示出强大的信号质量。
该芯片利用八对光纤，每对承载八个密集波分复用 (DWDM) 波长，支持每个方向 64 个通道的 32 Gbps 数据，传输距离可达 100 米。英特尔表示，这一一体化封装解决方案非常节能，每比特仅消耗 5 皮焦 (pJ) 能量，而可插拔光收发器模块的功耗约为每比特 15 皮焦 (pJ)。
英特尔表示，它正在实施一种新的硅光子晶圆厂工艺节点，具有先进的器件性能、更高的密度、更好的耦合和更好的经济性。 “英特尔在片上激光器和 SOA 性能、成本（芯片面积减少超过 40%）和功耗（减少超过 15%）方面不断取得进步，”该公司表示。
不过，截至目前，Intel的OCI芯片组仍处于原型阶段，它正在与一些客户合作，将OCI与他们的SOC封装在一起，形成光学I/O解决方案。
与英特尔相比，其他老牌半导体巨头落后了半拍，但在意识到硅光子在数据中心不可或缺的作用后，也开始在这一领域进行布局。
可能是除Intel之外最早、最远的厂商之一。去年3月，博通推出了首款集成硅光网络产品，代号为.将光纤连接与 的下一代 5 交换机集成，可提供每秒 51.2 太比特的数据吞吐量，与前代产品相比，交换性能提高了一倍，该公司表示，这是世界上第一个采用同一封装的全功能光交换机，该产品最终今年正式交付客户。
与英特尔的硅光子技术相比，博通更专注于光模块和光器件在数据中心、云计算和电信领域的商业化和性能优化。 还使用 CMOS 工艺在硅基板上制造光学元件，例如光调制器。 、光探测器和光纤耦合器，其优势在于提供端到端的解决方案，不仅提供硅光模块，还可以通过其芯片组（如交换芯片、PHY芯片等），从而优化系统性能。
今年，博通还在Hot Chips大会上展示了硅光子学的最新进展。它演示的“光学引擎”可以提供 1.6 TB/秒的总互连带宽，相当于每个方向 6.4 Tbit/秒或 800 GB/秒。第二。 8 月，有报道称博通正在开发新的硅光子技术，旨在显着增加 GPU 和其他人工智能加速器的可用带宽。它使用共封装光学器件 (CPO) 将光学连接组件直接集成到 GPU 中，从而实现更高的数据速率，同时降低功耗要求。
博通的老对手在硅光子学方面的计划甚至更早。早在2021年就有一篇技术文章提到了硅光子技术的未来应用。 2022年3月，宣布其面向数据中心的400G DR4硅光子平台解决方案已投产。据了解，其400G DR4硅光子平台可以降低每比特成本，加快上市时间，并为云优化电光解决方案的更高集成度铺平道路。
值得一提的是，采用异质集成方法，将硅基光电子技术与硅锗（SiGe）放大器和III-V族材料激光器相结合，提高系统性能。这种多元化的技术集成使得每个组件都可以选择最合适的技术并克服单一技术的局限性。
今年3月，其展示了业界首款200G 3D硅光子引擎，该引擎拥有32路200G电接口和光接口，能够以多TB的速度连接下一代AI集群和云数据中心。该公司表示，3D SiPho 引擎通过将数百个组件（包括波导和调制器、光电探测器、调制器驱动器、跨阻放大器、微控制器和许多其他无源组件）集成到一个统一的设备中，显着改善了光学性能。互连性能、带宽和能源效率。与具有 100 Gbps 电接口和光接口的同类设备相比，200 Gbps 设备可提供 2 倍的带宽、2 倍的输入/输出 (I/O) 带宽密度，并且每位功耗降低 30%。
三星在硅光子市场上也不甘落后。今年6月的报道指出，三星代工部门正在加紧开发名为“I-”和“I-”的先进硅光子工艺。三星晶圆代工部门总裁指出，硅光子技术可以最大限度地利用芯片。性能，在数据中心等需要高速传输的领域，可以减少信号损耗，解决散热问题。三星预计将在 2027 年完成硅光子技术。
AMD起步较晚，但也开始研究自己的硅光子技术。今年9月的报道称，AMD正在台湾寻找硅光子合作伙伴。已联系台湾新建硅晶圆厂北研半导体、北研半导体。前者专注于硅光子平台的设计和开发，而后者则拥有MOCVD机器。可生产4英寸和6英寸外延片。
最后，还有炙手可热的。今年12月，在美国举办的全球领先半导体会议IEDM 2024上，积极预测硅光子的未来，并展示了其AI GPU技术。 “从中长期来看，硅光子有望为人工智能数据中心内的芯片到芯片连接做出贡献，”它说。
会议期间，英伟达还展示了与台积电合作开发的硅光子原型机，表明两家公司在下一代AI半导体技术方面建立了牢固的合作伙伴关系。
尖端企业
有趣的一点是，上述巨头虽然进入硅光子领域，但并没有从头开始研发。仔细研究可以发现，为了尽快缩短应用实施的时间，他们依赖了几家规模较小的公司。尖端企业的力量。
作为硅光子领域的先驱，已完成4亿美元D轮融资。 AI已完成三轮融资3.389亿美元。 Ayar Labs 在三轮融资中筹集了 2.197 亿美元。这三个尖端公司在硅光子学领域投入巨资。在备受瞩目的时刻，它获得了最多的红利。
我们分别来说一下这三个公司。
成立于2017年，专注于利用光子计算技术来优化人工智能模型的性能。其核心理念是用光子计算替代传统电子计算，解决AI计算功耗高、延迟大的问题。
其核心技术基于光子芯片，其旗舰产品是利用光子计算的人工智能推理加速器。通过利用光子学原理，可以显着降低模型推理过程中的功耗，同时提供更高的计算吞吐量。其创新之处在于光子计算的并行能力，在处理矩阵乘法时可以表现出无与伦比的效率。
该技术主要面向数据中心和高性能计算领域。通过光子计算技术，加速器相信能够大幅降低未来AI计算的能耗，为可持续计算提供新路径。
近期，其积极拓展科技生态，与谷歌、微软等科技巨头建立了合作伙伴关系。其技术路线图还包括进一步将光子计算技术应用于通用处理器。
AI总部位于加利福尼亚州圣克拉拉，专注于开发基于光波导和光子集成电路（PIC）的高性能芯片互连解决方案。其目标是通过创新的光通信技术解决数据中心AI芯片和核心的互连瓶颈。
AI的核心技术包括独特的光波导技术，该技术可将信号分配到芯片光栅耦合器，同时保持低功耗和低热量输出。该技术基于硅光子学，利用电吸收调制器（EAM）和嵌入式光电二极管来实现高速、低功耗的数据传输。
值得一提的是，AI此前宣布收购早期先驱者的硅光子知识产权，包括全球已发布和正在申请的专利，使其全球IP组合总数达到200多项专利。此次收购的专利组合包括光电系统级封装、电吸收调制器（EAM）和光开关技术等三大技术类别，涉及各种人工智能数据中心基础设施应用。此次收购的IP直接契合AI核心技术路线图，增强公司的技术平台部署和商业化战略。
目前，AI技术应用主要集中在超大规模数据中心、高性能计算、内存子系统等领域。其创新设计可实现HBM（高带宽内存）和处理器之间的高效互连，以支持生成式AI和大规模模型训练。
感谢imec的支持。产品已进入量产阶段，计划通过IPO进一步拓展市场。
Ayar Labs 成立于 2015 年，总部也位于加利福尼亚州。其重点是通过光电融合技术解决传统电子互连的带宽和功耗瓶颈。主要目标是用光纤I/O技术取代传统的电子I/O，从而显着提高数据传输的效率。
据了解，Ayar Labs的核心技术基于光电混合架构，其主要产品是支持多通道光通信、可提供高达Tb/s数据带宽的芯片。其技术优势包括：利用微环调制器（Micro-Ring）实现高效光信号生成和调制、光I/O技术支持大规模芯片互连，同时显着降低数据中心的能源和热消耗，以及开放式设计允许客户根据自己的需求定制光电系统。
目前，Ayar Labs的技术主要应用于数据中心、高性能计算和通信网络。其光纤I/O技术被认为是未来提高数据中心性能的关键驱动力之一。与英特尔、英伟达等主要厂商建立了合作伙伴关系，并得到了行业领先投资者的支持。
铸造厂
无论是上述科技巨头还是新兴企业，除了三星和英特尔之外，最终都需要晶圆代工厂来生产最终的硅光子产品，而半导体晶圆代工厂巨头显然也看到了这一点。这种趋势。
新技术使代工业务排名全球第七的塔半导体公司比台积电等规模更大的竞争对手更具竞争优势，台积电也正在进入光子业务。分析师表示，该公司在生产可加速数据传输和节省电力的硅光子和硅锗方面领先于竞争对手。
Tower 预计今年硅光子收入将增加一倍以上，达到约 1 亿美元。 Tower总裁Marco在接受媒体采访时表示，公司抓住了支撑人工智能热潮的芯片需求浪潮，明年硅光子业务很可能再次翻倍。他补充说，该业务将在一两年内增长到占公司总收入的10%左右。
目前，Tower已与多家客户达成合作。据克雷格-分析师称，Tower拥有超过50家硅光子客户，其中包括全球11家数据通信收发器制造商中的7家。 “Tower 在可插拔领域占据主导地位，因为它的流程是高度可定制的，并且可以根据客户需求提供其他公司无法实现的解决方案，”分析师指出。
今年11月，Tower宣布推出全新300mm硅光子（SiPho）工艺标准代工产品。该工艺补充了Tower经过验证的200mm (PH18)平台，该平台现已投入批量生产，为客户提供先进的解决方案，以满足下一代数据通信应用中对高速数据通信不断增长的需求。此外，基于其最新硅光子（SiPho）平台，也已开始为多家大客户量产1.6Tbps硅光子产品。
Tower 的大容量硅光子平台提供高数据速率光收发器所需的关键功能，包括高带宽光调制器和从激光器到光纤的低损耗边缘耦合。这些功能对于高速数据通信组件的开发至关重要，并且在将传输速率从每通道提高到 100 甚至更高方面发挥着关键作用。
所有数据通信光收发器都需要跨阻放大器（TIA）和驱动器，Tower也是该领域的市场领导者，份额超过50%。
格罗方德()也对硅光子市场寄予厚望。
表示其推出的硅光子平台GF是一个单片平台，在单个硅芯片上集成了300mm光子功能和级RF-CMOS。除了光子和电子功能外，该技术还包括 2D/2.5D 集成功能，如铜柱和铜接收垫以及“光入、光出”功能——基于 V 型槽的光纤耦合器，具有片上 InP 激光连接功能。
目前，GF计划继续完善GF平台，以更好地服务当前的AI/ML市场。在接下来的几年中，他们希望将芯片的带宽从每波长 100 Gb (G/λ) 提高到 200 G/λ，最终提高到 400 G/λ 及以上。他们还将致力于提高光纤互连的前沿密度，以及异构集成各种材料，包括磷化铟 (InP) 和钛酸钡 (BTO)。与此同时，他们正在试验可拆卸和可插拔的光学接口，以增强互连的可修复性。
与Tower和GF相比，台积电在硅光子技术上的投入较晚。直到今年的北美技术研讨会上，台积电才概述了其解决方案，旨在改善封装内连接并实现 12.8 Tbps 的带宽。 “随着我们将更多的计算能力引入大规模封装中，数据传输成为一项挑战，但我们经常发现自己受到 I/O 供应商的限制，”台积电业务开发副总裁 Kevin 张表示。 “在台积电，我们花了很多年的时间研究硅光子学。我们有能力将硅光子学靠近开关元件，以创建非常节能的高速信号，以满足未来的计算需求。”
台积电的硅光子技术依赖于紧凑型通用光子引擎（COUPE），该引擎采用该公司的SoIC-X封装技术将65纳米电子集成电路（EIC）与光子集成电路（PIC）相结合。台积电声称其 SoIC-X 互连具有非常低的阻抗，这意味着 COUPE 在功耗方面非常高效。
COUPE的发展轨迹分为三个主要阶段。台积电的首款硅光子产品是用于 OSFP 连接器（八进制小型可插拔连接器）的光学引擎，其数据传输速率为 1.6 Tbps，是当前顶级铜缆以太网解决方案最大速率的两倍。这一初始迭代不仅保证了卓越的带宽，还提高了能源效率，解决了现代数据中心的两个关键问题。后续几代 COUPE 的设计旨在进一步突破界限。
第二代硅光子将COUPE集成到CoWoS封装（硅晶圆芯片）中，将光器件与开关封装在一起。这将使板级光学互连的速度高达 6.4 Tbps。 TSMC 的第三代产品的目标传输速率高达 12.8 Tbps，并且设计用于集成到处理器封装中。本次迭代仍处于探索阶段，尚无明确的发布时间表。台积电表示正在考虑进一步降低功耗和延迟。
