光芯片步入“黄金时代”

在与电子芯片的竞争中一度落后的光子芯片正在崛起。

最近，英特尔和英伟达投资了Ayar Labs，华为投资了微源光子和长光新，辛格推出了新硅光子技术，新思科技成立了OpenLight公司等头部厂商的一系列动作都在把注意力集中到光学芯片跑道。

伴随着5G，AIoT，云计算等应用的逐步落地，对数据传输提出了更高的要求同时，数据中心光电转换的必要设备mdashmdash光模块正在经历爆炸式增长据统计，在多平面网络架构下，新一代数据中心对光模块的需求增长了65倍

LightCounting的预测显示，未来五年全球光模块市场规模将保持14%的CAGR增长率，预计2026年将达到176亿美元。

全球光模块细分市场规模和预测

其中，光芯片的性能直接决定了光模块的传输速率，光模块是产业链的核心之一以光通信产业链为例，光芯片位于整个产业链的顶端，占光模块成本的50%以上它们是整个光通信产业链中最复杂，最有价值的环节

光通信产业链

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光学芯片迎来发展机遇。

半个世纪以来，微电子技术大体上遵循摩尔定律伴随着信息技术的飞速发展，芯片的工艺流程已经缩减到5nm以下，但由此带来的串扰，发热，高功耗等问题日益成为微电子技术的瓶颈。

同时，在现有的冯诺依曼计算系统中，有记忆墙用墙功耗瓶颈严重制约了系统计算能力和能效的提高此外，处理器与内存之间，处理器之间的信息交互速度严重滞后于处理器的计算速度，内存访问和I/O的瓶颈导致处理器的计算性能有时只有10%，极大地制约了计算的发展

伴随着电子芯片的发展接近摩尔定律的极限，电子计算技术的范式很难继续寻求突破面对后摩尔时代，在潜在的颠覆性技术中，光学芯片进入了人们的视野

光学芯片，一般由化合物半导体材料制成，通过伴随内部能级跃迁过程的光子的产生和吸收，实现光电信号的相互转换。

微电子芯片使用电流信号作为信息载体，而光子芯片使用更高频率的光波作为信息载体与电子集成电路或电互连技术相比，光芯片表现出更低的传输损耗，更宽的传输带宽，更小的时延和更强的抗电磁干扰能力

此外，光互连还可以通过使用多种复用方法来提高传输介质中的通信容量因此，基于集成光路的片上光互连被认为是一种很有潜力的技术，可以有效突破传统集成电路物理极限的瓶颈

光子芯片的前景

回顾光学芯片的发展，早在1969年，美国贝尔实验室就已经提出了集成光学的概念可是，由于技术和商业的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业和学术机构开始专注于硅芯片光信号传输技术的开发，期望用光路取代芯片之间的数据电路

最近几年来，伴随着技术的发展，各种材料体系包括硅，氮化硅，磷化铟，III—V族化合物，铌酸锂，聚合物等已经被用于开发单片或混合光子芯片

在过去的几年里，光子集成技术的发展取得了许多进展和突破。

根据消息显示，目前纯光子器件可以作为独立的功能模块但由于光子本身很难灵活控制光开关，也不能作为类似微电子器件的存储单元，纯光子器件本身很难实现完整的信息处理功能，仍然需要电子器件来实现因此，完美意义上的纯粹光子芯片目前还处于概念阶段，尚未形成实用体系严格来说，现在的光子芯片应该是指集成了光子器件或光子功能单元的光电融合芯片，但还存在无法集成高密度光源，低损耗高速光电调制器等问题

虽然光子集成电路还处于初级发展阶段，但它必然成为光器件的主流发展趋势光子芯片需要集成成熟的电子芯片技术利用先进制造技术和电子芯片模块化技术，结合光子和电子优势的硅光技术将是未来的主流形式

硅基光电集成芯片概念图

高速数据处理和传输构成了现代计算系统的两大支柱，而光芯片为信息，传输和计算提供了重要的连接平台，可以大大降低信息连接所需的成本，复杂度和功耗伴随着光芯片技术的迭代发展，大型云计算厂商和部分企业客户的需求正在从100G向400 G过渡，400GbE数据通信模块的出货量翻了一番，2021年达到创纪录水平

可以看到，光器件行业的整个产业链都在不断演进升级，以满足更高速度，更低功耗，更低成本的要求，800G及更高速度的产品也在逐步被使用，不同的细分领域都面临着新技术的迭代升级。

到目前为止，硅光子商业化的成熟领域主要在于数据中心，高性能数据交换，长距离互联，5G基础设施等光连接领域800G及以后的硅光模块性价比更突出此外，Yole认为，未来几年增长最快的将是汽车激光雷达，消费者健康和光子计算的应用

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光学芯片轨道正在收集主

光芯片广阔的市场前景自然吸引了众多厂商抢。

从市场结构来看，美国是硅光子学领域起步最早，发展最好的国家1991年，美国成立美国光电产业促进协会引导资本和所有力量进入光电子领域2014年，美国再次建立国家光子计划，业，明确将支持发展光学和光子基础研究和早期应用研究计划的制定

欧洲和日本也在跟进，中国将在2010年后开始进入光芯片电路此外，新加坡IME也是较早建立硅光子技术的平台之一，为行业发展做出了巨大贡献

从目前的产业链进展来看，全球光芯片产业链已经逐渐成熟，从基础R&D到制造工艺再到商业应用的每个环节都有代表性企业其中，以英特尔，思科，英伟达，辛格等为代表的企业占了硅光芯片和模组的大部分出货量，成为行业老大

英特尔:光芯片跑道领袖

虽然贝尔实验室提出了光芯片技术的概念，但将它发扬光大的是英特尔。

英特尔早在20多年前就开始研究硅光子学，直到2016年其第一批硅光子光收发器才投入使用，这标志着光子集成真正进入主流应用领域。

英特尔的首款产品是100G PSM4 QSFP，在平行单模光纤上有2公里的距离，在发射芯片上有磷化铟层它实现了四个混合激光器，一个调制器和一个用于将电信号转换成光以将光转换成电信号的光电探测器该方案通过提供快速，可靠且经济高效的连接提供了巨大的价值

2017年下半年，英特尔开始大批量供应100G产品，2018年，英特尔将其100G硅光收发器产品组合扩展到数据中心之外，进入网络边缘，并宣布了经过优化的新硅光产品，以加速新5G应用场景和物联网应用产生的海量数据传输，同年，英特尔还展示了其400G硅光能力，2020年，英特尔开始开发其200G FR4和400G DR4光收发器。...

据知乎博主行走的兔子导读:从2016年开始，英特尔推出其硅光子产品100G PSM4截至目前，英特尔自投入商用以来，已为客户提供超过400万个100G硅光子产品2020年英特尔研究院开放日，英特尔提出集成光电二极管，愿景，即将光互连I/O直接集成到服务器和封装中，对数据中心进行创新，在降低成本的同时实现1000倍的提升

在高速网络交换芯片市场，英特尔正在力推Tofino解决方案，该方案包括自主研发的硅光子技术和先进的封装技术，即光电共封装技术。

光电共封是指光芯片和电芯片焊接在同一个基板上，芯片之间光连接对于高速芯片，可以解决功耗，散热，端口密度等问题英特尔收购Barefoot用于可编程以太网交换机芯片技术时，显然也考虑到了光电封装CPO技术

目前，英特尔已经能够将多波长激光器，半导体光放大器，全硅光电探测器和微环调制器集成在一个紧密集成了CMOS芯片的单一技术平台上目前已经实现了集成光子器件模块芯片的量产应用

在今年的OFC会议上，英特尔展示了其可靠的InP激光器，240Gbps微环调制器及其控制电路在这些核心IP的基础上，英特尔展示了800G硅光发射机，展示了其在CPO和光I/O方面的布局，都在三个方向稳步推进

英特尔800G硅光学模块示意图

综合来看，英特尔的硅光产品线整体布局如下图所示，包括收发器，CPO和Opitcal I/O，其带宽和能效比都在逐渐提升。

相比其他采用代工厂的品牌，英特尔的优势在于一直走的是一体化的IDM模式据英特尔称，英特尔是唯一一家在软件，芯片和平台，封装和技术领域拥有深度和广度的公司

此外，收购高塔半导体填补了英特尔在光子芯片领域的技术实力今年1月，高塔半导体联合网络通信设备公司瞻博网络推出了硅光子代工技术，可将III—V族激光器，半导体光放大器，电吸收调制器和光电探测器与硅光子器件集成在单个芯片上，形成更小尺寸，更多通道，更节能的光学架构和解决方案

伴随着硅光子技术和封装技术的积累，未来英特尔将成为该领域的有力竞争者。

Ayar实验室:光芯片跑道的明星创业公司

除了自研，英特尔还持续投资相关公司最近投资了光学芯片行业的明星初创企业Ayar Labs

据介绍，Ayar Labs的光I/O解决方案消除了与系统带宽，功耗，延迟和范围相关的瓶颈，显著改善了现有的系统架构，并应用于人工智能，高性能计算，云，电信，航空航天和遥感领域据透露，Ayar Labs已经批量出货第一批产品，预计今年年底将出货数千片封装的光互连芯片

Ayar Labs的专利技术采用行业标准的硅处理技术，开发出高速，高密度和低功耗的光互连芯片和激光器，以取代传统的电气I/O互连Ayar Labs的高度差异化技术对于支持未来的高性能计算架构至关重要

此外，Ayar在英伟达，惠普，应用材料和芯片制造商辛格以及十几家投资公司的支持下打开了钱包Ayar与辛格合作开发了许多关键的封装技术，包括铜柱技术和V型槽光纤连接技术

博通:CPO技术竞争越来越激烈。

博通是全球领先的有线和无线通信半导体公司，也是VCSEL芯片的主要供应商之一光数据通信市场产品丰富，包括光纤接收机，嵌入式光模块和自适应光缆

去年年初，博通发布了支持光电封装技术的下一代交换ASIC芯片的两个概念首款25.6Tb洪堡芯片预计将于2022年底推出，51.2Tbps芯片拜伊将于2023年后发布博通还宣布计划推出基于硅光技术的800G DR8可插拔光模块，支持与DSP封装，下一步计划与CPU和GPU封装

可见，光电共封CPO技术在顶级高端交换芯片领域的竞争将会越来越激烈。

思科:收购和进入

思科在2012年和2019年收购了Lightwire，Luxtera和Acacia，并迅速布局硅光领域，成为收发器，开关和常见普通封装光器件硅光领域的领导者。

目前，思科使用TSMC来满足他们的一些光子学需求思科还与英特尔和辛格建立了制造合作伙伴关系

Lightwire在CMOS光纤和封装设计方面具有专业优势，通过在一小片硅衬底上集成多种高速有源和无源光纤功能，在光纤互连领域取得了一些创新成果，

Luxtera开发了世界上第一个CMOS光子器件，是首批推出商业级硅光集成产品的制造商之一。2015年发布100G PSM4硅光子芯片，

Acacia 400G硅光模块方案主要是将分立的光器件集成到硅光芯片中，然后与自主研发的DSP电气芯片互联，最后与外接激光器封装从2020年开始向客户发送样品

英伟达:与光学设备决裂

由于收购了Mellanox，魏莹已成为顶级网络提供商此外，Nvidia还收购了一些光子公司，包括瑞典的OptiGOT，并设计了一些用于Infiniband网络的光子收发器Nvidia拥有完整的交换机IP阵列作为AI训练和加速计算的领先公司，他们遇到了与计算应用相关的最困难的I/O功率扩展问题

由于新的人工智能模型的参数数量呈爆炸式增长，Nvidia在性能和功耗方面陷入困境，它需要普通封装的光学设备来继续在AI方面进行扩展。

英伟达此前一直提出与共封装光子学相关的研究，直到2019年英伟达宣布以69亿美元收购光纤互联领域的领导者Mellanox基于Mellanox在2013年收购Kotura时获得的技术，这笔交易将为Nvidia带来硅光子产品组合，使数据处理和互联成为同一解决方案的一部分

核心:光子技术OEM 领导者

技术方面，格芯是硅光子技术，投入程度大概是几个主流代工厂中最积极的。

格子早在几年前就已经积极布局目前可以提供先进的硅光子技术平台，包括各种光波导，移相器，偏振器，光电二极管等除了硅光子技术，Lattice还提供高级封装选项，帮助客户实现CPO技术

不久前，辛格推出了新一代硅光子平台Fotonix，实现了将多个复杂工艺集成到一个芯片上的功能，将光子系统，射频元件和CMOS集成在同一个芯片上核心在硅片平台上集成了300mm光子特性和300Ghz RF—CMOS技术，可以提供一流的大规模性能

从公布的数据来看，其Fotonix平台目前的客户包括Broadcom，Marvell，Nvidia，Synopsys，Cisco等硅光子学领域的重要厂商，以及Ayar Labs，Lightmatter，PsiQuantum，Ranovus，Xanadu等光子学技术厂商，前景看好。

GF Fotonix解决方案将在辛格位于纽约州马尔他的先进制造工厂生产，为客户提供参考设计套件，MPW，测试，晶圆厂前端和后端服务，交钥匙和半导体制造服务，并帮助客户更快地将产品推向市场Core允许客户在芯片上封装更多的产品功能，简化他们的材料清单，GF Fotonix还支持各种芯片封装解决方案，包括用于更大光纤阵列的无源附件，2.5D封装和片上激光器

芯是目前唯一能提供300mm单芯片硅光解决方案的纯晶圆代工厂，单位光纤数据传输速率表现优异通过这种方式，可以构建1.6—3.2Tbps的光学小芯片，从而提供更快更有效的数据传输和更好的信号完整性此外，由于系统的错误率降低到万分之一，还可以支持下一代人工智能

Ayar Labs首席执行官Charles Wuischpard也指出，他曾在Grid Core成立初期与Grid Core合作开发GF Fotonix，从集成PDK和工艺优化到展示第一个工作芯片Ayar Labs的单芯片电子/光子解决方案与GF Fotonix的结合，在芯片之间的光I/O市场打开了一个巨大的机会，为年底前的量产做准备

除了栅芯，高塔半导体还引入了PH18DA的制造工艺，可以降低成本，提高功效，简化封装TSMC还推出了先进的硅光子芯片封装技术mdashmdashCOUPE异构集成技术但相比位于全球领先硅光代工厂的辛格，以及拥有自己硅光代工厂平台的英特尔，其他代工厂的布局还是略显不足

新技术:生态系统的现状，加速器

因为涉及到大量复杂的混合信号，对于光子代工工艺来说难度很大，验证设计原理也很困难Synopsys，Cadence，Ansys等厂商与厂商合作开发模拟PDK，这是打造强大设计生态系统的关键

以新思科技为例，其光电统一芯片设计解决方案OptoCompiler可以帮助开发者在硅光平台上更好地创新，为光子芯片提供完整的端到端设计，验证和验证解决方案OptoCompiler将成熟的专用光子技术与业界领先的仿真和物理验证工具相结合，开发者可以快速准确地设计和验证复杂的光子芯片

最近几天，新思科技与瞻博网络联合成立了面向硅光子市场的OpenLight，旨在加速高性能光子集成电路的研发OpenLight将激光集成视为其技术的关键优势，希望吸引希望生产硅光子应用芯片的客户

OpenLight技术通过将半导体激光器用磷化铟材料直接加工到硅光子芯片上，通过了塔式半导体PH18DA制造工艺的合格性和可靠性测试。

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中国光芯片产业的进步与出路

另一方面，在国内市场，最近几年来在下游需求大幅扩张的推动下，国内厂商试图通过技术研发，外资收购等多种方式打造中国的光芯片产业。

工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图》指出，目前高速光电子芯片国产化率仅为3%左右，要求2022年低端光电子芯片国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率超过20%。

从上图可以看出，国产高端光芯片的匮乏给行业带来了巨大的发展机遇在政策支持下，中国光芯片产业发展迅速尤其是最近几年来国际局势不稳，国外切断国产芯片的事件频频发生，国产替代成为最近几年来国内半导体行业的热门话题依靠一些国内领先光芯片企业的不断努力，50G/400G PAM4光模块产品取得了较大突破，如50G QFP 28Pam4LR，400G QFP—DDSR 8等产品，随后是50G QFP 28Bidi/er，400G

据不完全统计，目前本土光芯片/光模块厂商主要有:新思捷，锐视科技，新亮智能，都根激光，长锐光电，立信光电，元杰半导体，瑞晶激光，索尔斯光电，长光华光学，华工科技，光迅科技，信义盛，云岭光电，民信半导体，博创科技，中基许闯，纵横

此外，国内通信龙头企业华为也在积极布局光芯片电路。

根据投资界的信息，2012年，华为收购英国综合光子学研究中心CIP Technologies，开启了在光芯片领域的探索，次年，华为收购比利时硅光技术开发商Caliopa，提升在光芯片领域的技术实力。

紧接着，2019年下半年开始，华为再次集中投资光电芯片企业，一度掀起国内光电芯片投资热潮今年3月，华为投资了另一家光电芯片公司mdashmdash纵向核心灯据不完全统计，截至目前，华为的投资布局涉及十余家与光芯片产业链相关的企业

2020年2月，华为还在伦敦发布了800G可调节超高速光模块据介绍，该产品支持200G—800G速率灵活调整，单纤产能达到48T，比行业方案高出40%，基于华为的信道匹配算法，传输距离比业界提升20%该产品应用于华为OptiXtrans全系列光传输产品，是华为光网络顶级竞争力的重要组成部分

去年4月，华为还公布了一项关于光学芯片的专利，命名为光耦合光学芯片及其制造方法，该专利不仅提供了用于在光学芯片和另一个光学器件之间耦合光的光学芯片，还提供了制造该光学芯片的方法，甚至包括切割和蚀刻晶片。

一系列的动作也可以看出华为在光芯片赛道上的专注和坚持换句话说，华为深信光学芯片是未来数据传输的技术之光

虽然国内厂商进入这一领域较晚，但市场份额相对较小但最近几年来，伴随着技术的快速追赶，掌握光芯片核心技术的国内厂商数量不断增长，国内外厂商的技术差距越来越小

根据维科网络产业研究中心的统计，在过去的八年中，国内光芯片市场从8亿美元攀升至20.8亿美元，年均复合增长率约为17.3%同时，根据中国5G，数据中心，计算从西方到东方的东西的数量，，双千兆网络规划，预计2022年国内光芯片市场有望进一步扩大至24亿美元

就中国而言，需要在传统赛道的电子芯片领域尽快补上短板，在光子芯片等新赛道的布局上尽快发力双管齐下，努力抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇

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写在最后

光芯片已经成为当前业界关注的焦点，也是创投圈最吸引人的赛道之一。

伴随着摩尔定律的放缓，探索新技术成为半导体领域的关键任务将光子与集成电路的电子结合，甚至用光子代替电子形成片上互连为了重塑现有的光模块产业链，它正在成为半导体行业的几个颠覆性创新的一个重要方向

正如陕西光电先导研究所执行所长米勒所说:面对智能化的曙光，未来将会掀起一场光子技术产业的革命，类似于电子产业从晶体管到集成电路时代的技术革命集成光路将是半导体领域60年一遇的奇迹变道超车一个重要的机会

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