近日，記者了解到，臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、光學(xué)共封裝（co-packaged optics，CPO）等新產(chǎn)品，該技術(shù)適用于45nm到7nm的芯片制程，預(yù)計最快明年下半年迎來大單，并在2025年左右達到量產(chǎn)階段。
這一次，硅光芯片的春天又要來了？
硅光芯片曾經(jīng)發(fā)展不及預(yù)期
硅光芯片是一種基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片，它利用硅光材料和器件通過特殊工藝制造集成電路，具有集成度高、成本低、傳輸帶寬高等特點。在尺寸、速率、功耗等方面具有獨特優(yōu)勢，其工藝與硅基微電子芯片基礎(chǔ)工藝兼容，可以與硅基微電子實現(xiàn)光電子3D集成芯片。
硅光芯片可通過硅晶圓技術(shù)實現(xiàn)高密度集成（來源：英特爾）
事實上，早在上世紀(jì)七十年代，就有科學(xué)家開始在硅基材料上研究光子學(xué)。在2000年左右，硅光子技術(shù)開始進入商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，隨后在通信、計算等領(lǐng)域得到小范圍的應(yīng)用。此前，也有多家科技巨頭曾研發(fā)過硅光芯片相關(guān)的產(chǎn)品，但大多數(shù)沒有實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。
據(jù)了解，華為曾經(jīng)投入大量資源研發(fā)硅光芯片，在2018年首次展示了硅光子芯片的樣品，并申請了相關(guān)專利。然而，華為在硅光芯片領(lǐng)域的研發(fā)進展緩慢，并且最終沒有實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。谷歌在2015年曾宣布成功研發(fā)出硅光芯片，并展示了其高速數(shù)據(jù)傳輸和處理的能力。然而，在隨后的幾年里，谷歌并未公開宣布任何關(guān)于硅光芯片技術(shù)的實質(zhì)性進展。
中國科學(xué)院微電子研究所研究員、硅光平臺負(fù)責(zé)人李志華向《中國電子報》記者表示，市場規(guī)模較小是阻礙硅光芯片發(fā)展的一大因素。硅光芯片的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在數(shù)據(jù)中心和長距離通信等高端市常在AI市場爆發(fā)之前，這些市場的需求相對有限，這也限制了硅光芯片的發(fā)展。外加彼時芯片制程的發(fā)展還暫未趨于物理極限，人們熱衷于通過縮小芯片制程來提升芯片的性能，而非通過硅光子技術(shù)提升芯片性能。這也導(dǎo)致了硅光子在此前的發(fā)展不及預(yù)期。
從“幕后”走向“臺前”
如今，硅光芯片再次迎來“春天”，甚至此次還傳出了臺積電將在2025年大規(guī)模量產(chǎn)硅光芯片技術(shù)的消息。這項技術(shù)開始慢慢從“幕后”走向了“臺前”。
這是由于，當(dāng)前AI技術(shù)的快速發(fā)展帶來數(shù)據(jù)處理和傳輸需求增長，硅光芯片正是一種能實現(xiàn)高效、快速、低成本處理和傳輸大量數(shù)據(jù)的技術(shù)。此外，隨著芯片制程逐漸趨于物理極限，“超越摩爾技術(shù)”的概念也隨之被提出。由于光子芯片對工藝節(jié)點的要求不如電子芯片那樣嚴(yán)苛，降低了對先進制程的依賴。因此，硅光芯片在一定程度上緩解了當(dāng)前芯片發(fā)展的瓶頸問題，也成為了“超越摩爾技術(shù)”的關(guān)鍵一員。
“硅光芯片并非取代傳統(tǒng)的集成電路技術(shù)，而是在后摩爾時代，幫助集成電路擴充其技術(shù)功能。此外，由于硅光芯片是基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片，因此硅光芯片所需的制造設(shè)備和技術(shù)與傳統(tǒng)集成電路基本一致，技術(shù)遷移成本較低，這也成為了硅光芯片得天獨厚的優(yōu)勢。”李志華說。
基于此，硅光芯片也有了更多的市場需求。國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，2030年全球硅光子學(xué)半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)計將達到78.6億美元，預(yù)計復(fù)合年增長率將達到25.7%。
數(shù)據(jù)來源：SEMI
與此同時，硅光芯片也成為全球芯片巨頭競爭的另一關(guān)鍵賽道。
臺積電此前在硅光芯片領(lǐng)域主推名為COUPE（緊湊型通用光子引擎）的封裝技術(shù)，其最大的特點是可以降低功耗、提升帶寬。有消息稱，臺積電計劃將該技術(shù)用于與英偉達的合作項目中，嘗試用該技術(shù)將多個英偉達GPU進行組合。此外，若此次臺積電能如愿與博通、英偉達等大客戶共同開發(fā)硅光芯片技術(shù)，也將會集合各方的技術(shù)優(yōu)勢和資源，推動硅光芯片的大規(guī)模量產(chǎn)。
另一芯片巨頭英特爾也致力于發(fā)展硅光芯片技術(shù)。例如，英特爾提出的光電共封裝解決方案使用了密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)，能夠在增加光子芯片帶寬的同時縮小尺寸。英特爾還提出可插拔式光電共封裝方案，該方案是利用光互連技術(shù)，讓芯片間的帶寬達到更高水平。同時，英特爾還在研發(fā)八波長分布式反饋激光器陣列，以提升大型CMOS晶圓廠激光器制造能力，實現(xiàn)光互連芯粒技術(shù)。
英特爾研究院研發(fā)的8個微環(huán)調(diào)制器和光波導(dǎo)（來源：英特爾）
制造良率成最大阻礙
盡管硅光芯片已經(jīng)迎來從“幕后”走到“臺前”的轉(zhuǎn)折點，但是，這一次，臺積電能否攜手科技巨頭成功實現(xiàn)硅光芯片的量產(chǎn)并再次迎來“春天”，還需要看制造良率問題能否得到有效解決。
李志華介紹，在相同的工藝節(jié)點下，硅光芯片對工藝精度的要求比純電子芯片要高很多。純電子芯片通常使用金屬導(dǎo)線作為傳輸介質(zhì)，這些導(dǎo)線具有高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性，可以有效地傳輸信號并散熱。雖然金屬導(dǎo)線也有表面粗糙的情況，但由于其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好，因此對信號傳輸?shù)挠绊懴鄬^校
然而硅光芯片中的微波導(dǎo)主要傳輸光子，而光子具有波動性，易受到電磁場的影響。當(dāng)微波導(dǎo)的邊緣存在不平整或凸起時，可能會引發(fā)電磁場的不連續(xù)性，導(dǎo)致信號散射和能量損失。另外，光器件的性能對加工精度也十分敏感，微小的工藝誤差可能導(dǎo)致器件性能的嚴(yán)重劣化，因此，硅光芯片對工藝精度更加嚴(yán)苛，導(dǎo)致硅光芯片良率降低。
若想有效解決硅光芯片的良率問題，并保證微波導(dǎo)的高性能傳輸，需要針對性地優(yōu)化硅光制造工藝，以實現(xiàn)波導(dǎo)邊緣的平滑和提高光器件加工精度，從而提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，保障光器件的性能和可靠性。
作者丨沈叢
編輯丨張心怡
美編丨馬利亞
監(jiān)制丨連曉東
