生成式AI、大模型成為新一輪科技產業發展的智能底座，由此引發的龐大算力需求極大帶動了硅光芯片等相關技術的進一步發展。據報道，此前臺積電組建了一支大約200人的研發團隊，積極推進硅光子技術，并與博通和英偉達等大客戶談判，共同開發相關技術應用；另一芯片巨頭英特爾也致力于發展硅光芯片技術。SEMI預測，2030年全球硅光子學半導體市場規模將達78.6億美元。受生成式AI等市場的驅動，硅光芯片正展現出廣闊的發展前景。
高帶寬傳輸價值凸顯
硅光芯片是一種基于硅晶圓開發出的光子集成芯片，它利用硅光材料和器件通過特殊工藝制造集成光路，具有集成度高、成本低、傳輸帶寬高等特點。早在1969年，硅光技術便由貝爾實驗室提出。谷歌在2015年宣布成功研發出硅光芯片，并展示了其高速數據傳輸和處理的能力?？稍陔S后的幾年里，谷歌并未公開宣布任何關于硅光芯片技術的實質性進展。
但隨著近年AI技術快速發展，帶來數據處理和傳輸需求急速增長，硅光芯片技術體現出其在實現高效、快速、低成本處理和傳輸大量數據方面的價值。臺積電系統集成電路副總裁余振華表示：“如果我們能夠提供良好的硅光子整合系統……我們就可以解決AI的功耗和計算能力的關鍵問題。這將是一個新的范式轉變。我們可能正處于一個新時代的開端?！庇嗾袢A指出，一個更好、更集成的硅光子系統是運行大型語言模型（支撐ChatGPT和Bard等聊天機器人的技術）和其他人工智能計算應用程序所需的強大計算能力的驅動力。
消息稱，臺積電將在2025年大規模量產硅光芯片，重點布局數據中心應用。臺積電此前已推出COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術，可以降低芯片功耗、提升帶寬，其也在合作開發下一代硅光子芯片，相關制程技術涵蓋45nm至7nm，預計最快將于2024年下半年迎來大單。
英特爾也在致力于發展硅光芯片技術。例如，英特爾提出的光電共封裝解決方案使用了DWDM（密集波分復用）技術，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，讓芯片間的帶寬達到更高水平。同時，英特爾還在研發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，實現光互連芯粒技術。
光傳輸、光傳感應用前景廣闊
硅光技術之所以開始受到業界廣泛重視，與其在數據中心、高性能計算（HPC）、人工智能和機器學習、激光雷達等領域所展現出巨大的應用潛力息息相關。其中，數據中心光通信又是當前硅光最大的應用市場。根據北京大學電子學院研究員、博士生導師常林的介紹，在過去大約10年間，受互聯網大數據、高性能計算驅動，數據中心光模塊的傳輸帶寬基本保持了每兩年翻一番的更新速度，特別是今年以來AI大模型熱潮爆發，對數據中心的傳輸帶寬速度提出更高的要求。這使數據中心光模塊成為硅光技術最主要的一個應用場景。
據了解，在目前的數據中心場景下，云提供商如Facebook、騰訊等正轉向大規模數據中心，通信速率正由100G、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代，而且迭代周期持續縮短。微軟內部數據中心互連有超過40%是基于硅光芯片實現。
更進一步地，硅光技術還可以應用于處理器內核之間，大幅改善內核間的數據傳輸速率，以及傳輸功耗。速率提升甚至可達100倍乃至更高。在芯片技術的發展過程中，芯片互連是目前的技術瓶頸之一。隨著芯片制程的逐步縮小，互連線引起的各種效應成為影響芯片性能的重要因素。當芯片越做越小時，互聯線也需要越來越細，互連線間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應也會越來越影響電路性能。常見的互連線材料諸如鋁、銅、碳納米管等，這些材質的互聯線都會遇到物理極限，如果通過光進行互連則沒有這方面的問題。因此，當摩爾定律正在逐漸走向盡頭之際，硅光技術憑借高傳輸速率、高能效比、超低延遲方面的優勢，開辟出一條新的賽道。
除去在通信方面的應用之外，硅光技術在光傳感領域也有著巨大的發展潛力。常林表示，傳統的激光雷達最大的問題在于體積與成本。這也限制了它在汽車等行業的使用。通過硅光技術可以把激光雷達系統做到芯片級別，在大幅縮小體積的同時，還可以降低成本至幾千元以下。這使得面向自動駕駛的激光雷達，成為硅光芯片技術的另一個重要增長點。此前，北京大學電子學院王興軍教授課題組-常林研究員課題組研制出硅基片上多通道混沌光源，提出了一種基于混沌光梳的并行激光雷達架構。該項技術在攻克激光雷達抗干擾和高精度并行探測這兩個世界性難題，保證高性能高安全的同時，還極大降低未來激光雷達系統體積、復雜度、功耗和成本，對于推動硅光技術在光傳感領域的應用有極大的促進。
產學研協同推進中國硅光發展
中國在硅光技術方面的研究起步較晚，真正開始大規模研究是在2010年左右。但隨著近年來在人才與資金上的大量投入，與國外廠商的差距正在逐步縮小。集微咨詢認為，中國硅光產業發展機遇難得。中國擁有全球最大的光通信市場，但國產光通信器件占比較低，光模塊芯片的國產化備受關注。目前，中國光模塊公司正通過并購/自研加快布局上游芯片領域，提高自給率。
華為、阿里等公司目前都在積極推進硅光芯片的研究開發。據了解，在今年的“達摩院青橙獎”的入圍名單中就包含了硅光芯片的研究項目。青橙獎由阿里公益、阿里達摩院于2018年發起，主要面向不超過35歲的年輕學者。過去5年已支持50多位頂尖青年學者，每人獲得了自由支配的100萬獎金和達摩院的科研支持。
對此，常林指出，推進硅光技術的研發與產業化進程，需要產學研應等多方面力量的相互配合，特別是當一項技術開發進入到相對成熟階段之后，更加需要與產業相結合，需要社會資本的大力推動，才能把技術進一步推向更廣闊的層面，在市場上進行檢驗。目前，硅光芯片的產業化進程正在展開。然而，與集成電路的加工依賴于高精度制程不同，光子芯片加工的核心是各種不同的功能材料的集成。開發人員如何在芯片上實現多材料集成，從而支撐應用，都是需要進一步探索的方向。這些工作都需要應用端的牽引，只有在應用的過程中，開發人員才能找到真正的需求點，了解器件性能的改進方向。
