三十年沉浮,曙光已現,硅光技術的發展與思考 | 蘋果π【01期】

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編者按:【蘋果π】是中科院創投行研團隊推出的欄目,我們將從產業發展和資本驅動的視角對前沿技術變革、企業創新和產業生態進行系統性思考,探索未來科技發展的挑戰與機會,為價值投資提供路線指引,為產業轉型升級提供智力支持。本文對硅光的產業概況、驅動因素、應用場景、發展生態等方面進行了解讀,作為【硅光產業研究系列】的第一篇,期能起到拋磚引玉之效。

硅光的概念早在20世紀90年代初便已被提出,但相較於集成電路的成熟發展和規模化應用,其在誕生之後的30多年裏發展一直相對緩慢,產業生態系統尚不成熟。究其核心原因,在於尚沒有巨大的應用場景驅動。隨着雲計算、大數據、人工智能的快速發展,社會對於信息獲取與處理效率的需求持續攀升,但摩爾定律失效在即,硅光技術正憑藉其在高通量、高能效比、超低延遲、低成本等方面的突出優勢,成為確定性的技術發展趨勢。

核心觀點:

  • 目前,硅光產業正處於前期擴張階段,在光通信尤其是數通短距場景已取得局部商業成功,正在逐步拓展至光傳感、光計算等新興應用領域;
  • 片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業化成功的應用;
  • 硅光工藝領域,光電封裝或將是發展最快的賽道,而共封裝光學(CPO)是最值得關注的技術方向;
  • 硅光產業的基礎是硅光生態,若要推動萬億產業市場的落地,不僅需要應用側的拉動,更需要底層生態的建設,尤其是工藝平台的建設至關重要。

一、硅光產業綜述

硅光技術是以硅和硅基襯底材料(如SiGe/Si、SOI等)作為光學介質,通過互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容的集成電路工藝製造相應的光子器件和光電器件(包括硅基發光器件、調製器、探測器、光波導器件等),並利用這些器件對光子進行發射、傳輸、檢測和處理,以實現其在光通信、光傳感、光計算等領域中的實際應用。

如20世紀70年代的微電子技術一般,硅光產業正處於前期擴張階段,未來更是有望成為媲美集成電路龐大規模的產業,拉動萬億市場。正因如此,諸如Intel、IBM、Oracle、中興通訊等著名的半導體企業和信息技術企業,正投入大量的人力和財力推進硅光的產業化。這其中的標誌性事件,便是注重規模效應的晶圓代工公司GlobalFoundries(格羅方德,業內簡稱“格芯”)於今年3月份推出了硅光子平台Fotonix,以此佈局90WG和45CLO工藝節點以及封裝工藝,平台合作伙伴包括4家頂級光子收發器供應商中的3家、5家頂級網絡公司中的4家、4家領先的EDA和仿真公司中的3家,以及一些最有前途的基於光子學的初創公司。 

在需求與資源投入的雙重驅動之下,近幾年硅光產業呈現高速增長態勢,根據知名半導體分析機構Yole的預測,硅光市場將從2020年的約0.87億美元增長到2025年的約11億美元,複合年增長率達49%。目前,硅光在光通信尤其是數通短距場景已取得局部商業成功,正在逐步拓展至光傳感、光計算等新興應用領域,尤其是光傳感領域的可穿戴健康監測芯片,隨着健康監測版本Apple Watch的發佈,硅光將陸續打開市場局面並保持高速增長。

數據來源:Silicon Photonics 2021 report,Yole

二、硅光的應用場景

光通信領域——硅光芯片的主要應用場景。目前,產業內已基本建立了面向數據中心、光纖傳輸、5G承載網、光接入等市場的系列硅光通信產品解決方案,其中數據中心光通信是硅光的最大市場,微軟的內部數據中心互連有超過40%是基於硅光芯片實現。 

數據中心場景下,CSP和雲提供商(諸如Facebook、Apple、騰訊等)正轉向大規模數據中心,Capex支出持續提升以支持客户的高帶寬需求,通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代,而且迭代週期持續縮短。在此背景下,傳統的可插拔光模塊在性價比及功耗方面已然“捉襟見肘”,而高集成高速硅光芯片由於在潛在降價空間與功耗方面有明顯優勢,則成為更優越的選項。市場的選擇是最好的證明,目前100G硅光模塊已局部商業成功,雖然400G、800G硅光模塊滲透率不會有顯著增長,但業內的共識是通信速率至1.6T階段硅光模塊應用將明顯起量。當然,尚需關注硅光技術尤其是CPO封裝技術的發展所帶來的性價比提升程度。

此外,在5G承載網市場中,5G前傳(電信側光模塊)是硅光技術的又一市場增長點, Intel已針對5G前傳發布具有擴展工作温度範圍的100G收發器,支持在-40℃~85℃的工作温度範圍內通過單模光纖實現10km鏈路。

雖然滲透率的節奏很難有明確判斷,但硅光趨勢的確定性毋庸置疑。Intel作為硅光領域的帶頭企業,已然搶佔硅光通信40%以上的市場份額;Cisco、Marvell、Broadcom等通信光模塊頭部企業則基於併購模式佈局硅光模塊業務;國內企業中,華為(海思)、海信寬帶(Hisense)、旭創科技(Innolignt)、亨通光電、光迅科技(Accelink)等光模塊廠商陸續推出硅光通信模塊,旭創科技成立硅光業務事業部並且發展迅速,亨通光電則與英國洛克利公司(Rockley Photonics)合資成立“亨通洛克利”來佈局硅光產品。此外,諸如熹聯光芯、賽勒光電、羲禾科技、雨數光科等大批創業企業也紛紛湧入硅光賽道,但目前尚待高速率通信應用市場成熟,尤其是1.6T等更高速率光模塊市場高速發展。 

光傳感領域——應用場景眾多且迭代迅速,硅光發展潛力巨大。現階段來看,面向自動駕駛的激光雷達硅光芯片以及面向消費者健康監測及診斷的硅光芯片將是重要增長點。 

自動駕駛已然是國際公認的未來發展的重點方向之一,而基於激光雷達的自動駕駛方案生態更為完善,本質在於宂餘設計至關重要,且激光雷達可以感知長尾問題,但性價比與車規要求限制了激光雷達的車載應用節奏。經過市場篩選,基於硅光的OPA+FMCW方案的全固態激光雷達(LiDAR),成為了學術界與產業界皆公認的終局方案,市場潛力巨大。正因如此,目前國內的洛微科技、摩爾芯光等基於硅光的激光雷達創業企業,備受資本青睞。 

在生物傳感領域,硅光集成方案逐步在多個場景落地,譬如Surfix基於硅光集成方案實現快速高精度核酸檢測、Aryballe開發出微型硅光子人造鼻以此識別氣味“指紋”等等,而目前公認最有市場前景的當屬可穿戴設備。

據悉,2022年或2023年,Apple與英國洛克利公司(Rockley Photonics)將合作推出集成了片上光譜儀的Apple Watch。此外,Amazon、Microsoft、Facebook、Google、騰訊等紛紛入局,國內也湧現許多片上光譜儀創業企業,如與光科技、求是光譜等等。Yole判斷,隨着健康監測版本Apple Watch的發佈,用於健康監測的光傳感芯片市場將保持高速增長。未來,硅光生物傳感芯片也可廣泛應用於低成本、小尺寸的醫療設備,並有望在2026年超過硅光通信的市場規模。 

隨着摩爾定律的失效,光計算與硅光概念同時被關注。目前電子計算面臨存算、I/O、功耗三大瓶頸問題,逐漸難以滿足超高速、低延遲的海量數據處理需求,光計算基於光子作為玻色子在傳輸方面的天然優勢與多維信息處理優勢,成為下一代計算範式的理想選擇,而硅光集成則是光計算商業化落地的 基本前提。 

目前備受關注的光計算細分方向主要為基於硅光的神經網絡AI處理器芯片與光互連,需要説明的是,光互連雖然基於光通信原理,但解決的是光計算I/O問題,故暫且將其歸於光計算領域。受限於計算規模、計算精度及算法生態等方面的限制,光電融合計算仍是主要計算方案,但也尚未產業化應用。

短期內, 片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業化成功的應用。 目前,Intel數據中心已採用片間光互連提高計算效能, NVIDIA也將與Ayar Labs合作將光學I/O應用於AI/HPC架構。Ayar Lab是光互連賽道的主要創業公司,持續融資已超過2億美元,B輪估值為11.375億美元,C輪估值估計已超過20億美元,投資方包括Intel、NVIDIA、Global Foundries等。據悉,光計算創業企業曦智科技也將推出光互連相關產品。 

此外,光量子計算本質也屬於光計算範疇,但光量子計算落地週期樂觀預計仍需5~10年左右,短期內無法拉動硅光產業的發展。

三、硅光的發展生態

數據來源:Silicon Photonics 2021 report,Yole

硅光產業是大勢所趨,應用場景側的市場空間潛力令人激動,但迴歸製造業本質,硅光產業的基礎是硅光生態,若要推動萬億產業市場的落地,不僅需要應用側的拉動,更需要底層工藝生態的建設。

目前硅光產業面臨的關鍵問題,在於工藝平台尚不成熟、硅基有源器件難以實現以及納米尺寸硅光技術路徑尚未收斂等等,尤其是工藝平台的建設至關重要。

以集成電路產業的發展歷史為對照,其各個重要里程碑節點始終伴隨半導體工藝的優化發展。因此,佈局硅光工藝平台是硅光應用持續滲透的關鍵。廣義的硅光工藝平台包括設計工具、加工、封裝等工藝全鏈路。工藝生態的建設將是產業發展的長期目標,譬如硅光設計工具尚未統一、半導體CMOS工藝無法支撐大規模集成、硅光芯片差異化設計增加工藝監測與優化難度等問題,都需要更多資源投入。

我國目前已佈局多條工藝與量產產線,主要為中科院微電子所硅光工藝平台、中科院微系統所硅光工藝平台、重慶聯合微電子中心,此外商業化晶圓代工廠譬如燕東、中芯國際也已在佈局硅光工藝研發,加速硅光量產進程。

我們判斷,光電封裝或將是發展最快的賽道,而 共封裝光學(CPO) 是最值得關注的技術方向。根據國外市場調研機構CIR的數據,到2027年,共封裝光學(CPO)市場收入將達到54億美元。 

縱觀硅光產業生態,從工藝到應用,在Intel、Cisco、Juniper等領軍企業的持續大力投入之下,硅光全產業鏈不斷完善,技術標準相繼形成,已逐漸從學術研究驅動轉變為市場需求驅動的良性循環。在學術界、產業界的大力推動佈局之下,硅光將有望在未來20~30年發展成為媲美集成電路的龐大產業。就國內而言,尚需投入更多資源佈局底層工藝生態,並扶持硅光設計公司開拓應用,以期在硅光賽道構建競爭優勢,實現芯片領域的彎道超車。

作者:李娜 

高級分析師,專注光子產業研究

本文來自微信公眾號 “中科院創投”(ID:CASVENTURECAPITAL) ,36氪經授權發佈。