適合中國的新賽道——硅光子！
2023-06-05 12:29:05 EETOP隨著 AI、通訊、自駕車等領域對海量運算的需求漸增，在摩爾定律的前提下，集成電路的技術演進已面臨物理極限，該如何突破？
有一項技術，它讓IBM早在20年前就積極投入，稱霸CPU市場多年的Intel也早已投資這項技術超過10年的時間，中國大陸更是將它視做半導體發展突圍的武器，而以色列也把它列為其國家科技發展重要項目之一。
這項技術對一般人而言顯得陌生，但卻吸引Apple、NVIDIA、臺積電等巨頭公司近年來陸續投入研發打造，它就是集20世紀兩大最重要的發明硅集成電路與半導體激光大成的硅光子。當電子結合光子，不只解決原本信號傳輸的耗損問題，甚至視為開啟摩爾定律新篇章、顛覆未來世界的關鍵技術。
集成電路（IC）將上億個晶體管微縮在一片芯片上，進行各種復雜的運算。硅光子則是集成電路，把能導光的線路全數集中。簡單來說，是在硅的平臺上，將芯片中的電信號轉成光信號，進行電與光信號的傳導。
硅光子能提升光電傳輸的速度，解決目前電腦元件使用銅導線所遇到的信號耗損及熱量問題，因此臺積電、英特爾等多家半導體巨頭已經投入相關技術研發。
但在介紹硅光子應用與瓶頸前，我們需要先了解光電收發模塊的運作原理：
先想象光電收發模塊是類似 USB 的長方形模塊，插入電腦后才能讀取信息。換言之，光信號必須先進入該模塊，才能將信號打入服務器。
傳統的插拔式模塊（transceiver，又稱收發器）內部有許多光電組件，當光信號進去模組里，會需要光接收器（PD，Photodetector）來接收光，之后信號源進入模組，因為光電效應產生的電流很小，需要放大器（TIA）將電流信號放大，同時把電流信號轉換成電壓。
電信號進入主機后會遇到交換器（Switch），能將電信號進行處理、轉換，判斷電該從哪個軌道出去，出去后經過光調變器（Optical Modulator），同時搭配激光光源輸入的情況下，將電信號再切換成光信號，這就是光電收發模塊的概念。
硅光子和光電收發模塊有什么關系？
一個光電模組包含光接收器、放大器、調變器等許多組件，過去這些組件都是個別、零散地放在PCB板上，但為了提升功耗、增加信號傳輸速度，這些組件改成全整合到單一硅芯片上。
在硅平臺上的光電信號轉換，都能算在硅光子技術范疇，過程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會以硅光子發展至今的每個階段，作為分享的主軸。
硅光子已默默耕耘20多年，傳統的硅光子插拔式外型非常像USB接口，外接兩條光纖，分別傳輸進去和出去的光; 但插拔式模塊的電信號進入交換器前，必須走一大段路（如下圖 b），在高速運算損失又多（大），所以為了減少電損失，硅光元件改到接近服務器交換器外圍的位置，縮短電流通的距離，而原本的插拔式模組只剩下光纖。
而上述這個作法，正是目前業界積極發展的「共封裝光學模組」（CPO，Co-Packaged Optics）技術。主要是將電子集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）共同裝配在同一個載板，形成芯片和模組的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發模組，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 芯片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及信號延遲。
據了解，這項技術能降低成本，數據量傳輸提升8倍，提供30倍以上的算力并節省50%功耗。但目前芯片組的整合仍處于現在進行式，如何精進CPO技術，成為硅光子發展的下一個重要步驟。
目前硅光子主要在解決插拔式模塊的信號延遲之挑戰，隨著技術發展，下一階段將會是解決CPU和GPU傳輸的電信號問題。學界指出，芯片傳輸以電信號為主，所以下一步要讓GPU和CPU透過光波導進行內部對傳，將電信號全轉為光信號，來加速AI運算并解決目前算力瓶頸。
當技術再往下一步走，將迎接全光網絡時代，意思是芯片間的所有對傳全變成光信號，包括隨機存儲、傳輸、交換處理等都以光信號傳遞。目前日本已在硅光子導入全光網絡這部分積極布局。
摩爾定律預測，相同尺寸芯片中能容納的晶體管數量，因為制程技術推進，每18~24個月會增加一倍。但由于芯片是電信號，傳輸會有信號損失的問題，即使單位面積晶體管數量漸增，仍無法避免電耗損的問題。
然而硅光子技術的出現，以光信號代替電信號進行高速數據傳輸，實現更高帶寬和更快速度的數據處理，使芯片不需擠更多晶體管數量，不需追求更小納米和節點，且能在現有硅制程基礎上實現更高集成度、更高效能的選擇，進一步推動摩爾定律的發展。
目前硅光子在元件整合上仍有諸多挑戰，首先是接口溝通語言問題，舉例來說，半導體廠商雖然了解電的制程，但因為光子組件效能對溫度和路徑都很敏感，制程上線寬與線距對光信號影響相當大，若要開發更高效的光子元件結構和制程，需要一個溝通平臺，提供設計規格、材料、參數等，進行光電廠商的信息語言整合。
再者，短期硅光子用于利基型市場，各類型的封裝制程與材料標準也還在陸續建立中，大多提供硅光芯片下線的晶圓代工廠都屬于客制化服務，或者不方便提供給他廠使用，缺乏統一平臺恐阻礙硅光子技術的發展。
除了以上提到的缺乏共通平臺外，高成本制造、光源集成、組件效能、材料匹配、熱效應和可靠性等也是硅光子制程瓶頸之一。隨著技術的不斷進步和創新，預計這些瓶頸在未來數年到十年內有望得到突破。
事實上，這個看起極具潛力且正準備高飛的技術，是由IBM帶頭，爾后不少企業、研究單位、學術界紛紛投入20年的成果，其中，Intel是最快推出量產產品，市占率甚至達5成的龍頭企業。而Leti、Imec、Ime則是深耕這個領域許久的研究單位; 在設計端則有被 NVIDIA 投資的Mellanox、被 Cisco 收購的 Luxtera 與 Acacia、Finisar、Avago等公司投入研發。
在晶圓制造的部分，以GlobalFoundries的投入最早，臺積電則在近年來積極布局相關技術，2017年與Luxtera共同開發新世代的硅光子技術，爾后也在封裝段也布有COUPE（compact universalphotonic engine，緊湊型通用光子引擎）硅光子芯片異構集成技術。而封測大廠日月光也在相關技術布局了 20 年之后，在去年正式推出 CPO 裝技術，并且成功進入博通硅光子產品供應鏈。
中國大陸對于硅光子產業的投入也不容小覷，因為硅光子芯片制造可以沿用半導體既有十分成熟的CMOS制程與機臺，且主流制程落在45到90納米，這對擅長IC設計但制程相對落后的中國大陸半導體產業而言，反而視之為其推動區域半導體內循環策略的最佳致勝捷徑。就以在全球進行并購的華為為例，其并購標的包含了英國集成光子研究中心CIP Technologies、比利時硅光技術開發商Caliopa。中國政府甚至在武漢設立了東湖高新區光電園，全力打造硅光子相關技術。
對于擁有半導體制造完整產業鏈與先進制程優勢的臺灣地區而言，雖然前十年投入硅光子技術研發的廠商有限，但近年來半導體制造供應鏈正低調地卯足全力投入這項技術研發，希望能在硅光子技術上再度復制半導體成功模式。正如日月光研發副總洪志斌所言，硅光子無疑將是“一大技術杠桿、同時也是新興應用的新支點，能夠觸動出新型態與新世代的數據中心，并且帶動各種新興數據密集型應用”的重量級技術。
