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常在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。
英特尔研究院研发的8个微环调制器和光波导（来源：英特尔）
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校
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。
作者丨沈丛
编辑丨张心怡
美编丨马利亚
监制丨连晓东
