「創(chuàng)言」合創(chuàng)資本王先根：21世紀(jì)硅基光電子的投資機(jī)遇與挑戰(zhàn)

  一、后“摩爾定律”時(shí)代

  1965年，英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)推測(cè)：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。即每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。這個(gè)被稱(chēng)之為“摩爾定律”的法則在過(guò)去大半個(gè)世紀(jì)成功地促進(jìn)了集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，也加速了人類(lèi)文明的進(jìn)步。

  21世紀(jì)，萬(wàn)物互聯(lián)帶來(lái)了流量大爆發(fā)的時(shí)代，預(yù)期全球流量將持續(xù)激增CAGR達(dá)30以上，未來(lái)五年全球互聯(lián)網(wǎng)流量將增加至少3倍。數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)帶寬和數(shù)據(jù)容量將從“Gbps”時(shí)代升級(jí)到“Tbps”時(shí)代，傳統(tǒng)的集成電路被要求有更大帶寬、更高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力、數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

  然而，隨著單位面積內(nèi)集成電路晶體管數(shù)量越來(lái)越接近物理極限，單純依靠提高工藝制程來(lái)提升集成電路性能變得困難。集成電路的制程已經(jīng)進(jìn)入5納米甚至是2納米的節(jié)點(diǎn)，再往下做將面臨的綜合瓶頸。復(fù)雜制造工藝的引入和系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度的增加等將使集成電路制造成本顯著提升，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)互聯(lián)信號(hào)延遲、帶寬受限、功耗上升和性能下降等問(wèn)題，這被業(yè)界稱(chēng)之為“后摩爾定律”。

  因此，進(jìn)入后摩爾定律時(shí)代，集成電路的路在何方?業(yè)界專(zhuān)家正在多方面尋找延續(xù)摩爾定律的方法，其中硅基光電子技術(shù)被發(fā)現(xiàn)可能是延續(xù)摩爾定律的發(fā)展方向之一。

  二、硅基光電子的那點(diǎn)事

  硅基光電子的核心理念是“光電融合”，即利用硅或與硅工藝兼容的其他材料作為光學(xué)介質(zhì)，跟現(xiàn)有的CMOS工藝兼容，開(kāi)發(fā)以光電子、電子為載體的功能器件，并將它們?cè)谕灰r底上大規(guī)模集成，形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型集成電路單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、探測(cè)和處理，可在光通、光互連、光計(jì)算和光傳感等領(lǐng)域應(yīng)用。

  其包括光源、波導(dǎo)、調(diào)制器、探測(cè)器、有源芯片和無(wú)源器件等部分，除此之外，還應(yīng)包括FAB廠、設(shè)計(jì)平臺(tái)和測(cè)試封裝。這里應(yīng)關(guān)注：

  光源。目前主要采用相對(duì)成熟的外置光源方案。由于硅材料不直接發(fā)光，需要有其他發(fā)光材料提供光源，通過(guò)不同的引入方案實(shí)現(xiàn)集成。

  其他的光源解決方案，如bonding技術(shù)也有廠家開(kāi)始應(yīng)用(INTEL)，但不很成熟。最值得期待的硅基直接外延技術(shù)在探索中，離實(shí)際商用還有很長(zhǎng)的路要走。

  FAB。選擇一個(gè)好的FAB廠對(duì)做好硅光產(chǎn)品非常關(guān)鍵。由于硅光仍在發(fā)展探索階段，F(xiàn)oundry擁有各自的PDK和經(jīng)驗(yàn)，需要在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮。全球硅光FAB廠大概的分布如下圖，大多數(shù)都是研發(fā)性質(zhì)的FAB，真正能提供商用化的硅光FAB不多，國(guó)外GlobalFoundries可以作為代表之一。GlobalFoundries通過(guò)對(duì)IBM微電子業(yè)務(wù)的收購(gòu)，同Ayar Labs和MACOM等企業(yè)伙伴進(jìn)行合作，其硅光子產(chǎn)品制造已占據(jù)GlobalFoundries全部晶圓代工業(yè)務(wù)中的10%。目前國(guó)內(nèi)有三條實(shí)驗(yàn)線，但真實(shí)技術(shù)水平和能力與國(guó)際先進(jìn)機(jī)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，不能滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)所需的批量商用生產(chǎn)要求。國(guó)內(nèi)硅光子芯片流片都依靠國(guó)外代工，耗時(shí)久且成本高，不利于國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)快速迭代和應(yīng)用拓展。

  CPO。傳統(tǒng)可插拔光模塊當(dāng)單信道速率達(dá)到112G以上時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效能超大數(shù)據(jù)交換，同時(shí)交換機(jī)端口面板密度的限制無(wú)法支持51.2T以上數(shù)據(jù)交換，還有成本和體積的問(wèn)題需要解決。故光電共封裝CPO，就成了硅光產(chǎn)業(yè)鏈上一個(gè)繞不開(kāi)的環(huán)節(jié)，硅光將在CPO時(shí)代有壓倒性優(yōu)勢(shì)。CPO指的是交換ASIC芯片和硅光引擎(光學(xué)器件)在同一高速主板上協(xié)同封裝，從而降低信號(hào)衰減、降低系統(tǒng)功耗、降低成本和實(shí)現(xiàn)高度集成。

  CPO的應(yīng)用更可能從HPC和AI集群中使用的CPU、GPU和TPU切入，LC預(yù)測(cè)的CPO出貨量將從800G和1.6T端口開(kāi)始。

  CPO的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還在制定中，CPO標(biāo)準(zhǔn)形成估計(jì)還需要數(shù)年時(shí)間，國(guó)內(nèi)據(jù)說(shuō)不久會(huì)推出1.0版本的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上芯片龍頭INTEL 和交換機(jī)產(chǎn)品龍頭Cisco等一直都是CPO的積極推進(jìn)者，博通、亨通洛克利等都在2021年推出了3.2T的硅光技術(shù)樣機(jī)?？傊?，CPO的發(fā)展才剛剛開(kāi)始，真正的產(chǎn)品還需要數(shù)年時(shí)間，但CPO的一旦成熟應(yīng)用可能會(huì)使光模塊產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)發(fā)生重大變化。

  除了光源、FAB和CPO外，硅光調(diào)制器、硅光探測(cè)器和硅光電芯片都已實(shí)現(xiàn)不同程度的規(guī)?；逃?，這些芯片融合于硅光引擎將是水到渠成的事情。

  我們知道，傳統(tǒng)光模塊的封裝結(jié)構(gòu)中有各種獨(dú)立的芯片，包括各種光芯片和微電子芯片，在封裝成本、封裝體積、模塊性能和可靠性都隨著網(wǎng)絡(luò)速率和網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升而遭遇瓶頸。

  硅光技術(shù)是結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)，在規(guī)模化生產(chǎn)、成本控制、產(chǎn)品性能、封裝便利性和產(chǎn)品可靠性等方面均會(huì)有突出的優(yōu)勢(shì)，能夠很好的滿足高速互聯(lián)對(duì)更低成本、更高集成、更低功耗、更高密度等要求，這就決定了硅光被寄予擔(dān)當(dāng)后摩爾定律時(shí)代的重任，在很多應(yīng)用領(lǐng)域能大顯身手。

  三、硅基光電子的市場(chǎng)機(jī)遇

  硅基光電子優(yōu)勢(shì)明顯，除了在光通信領(lǐng)域的作用外，在其他商業(yè)領(lǐng)域如：光傳感、光計(jì)算、醫(yī)療健康和激光雷達(dá)等領(lǐng)域的價(jià)值也逐漸顯現(xiàn)，一個(gè)接一個(gè)應(yīng)用得以落地。所以，硅光產(chǎn)業(yè)將在21世紀(jì)迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

  市場(chǎng)研究公司Yole Développement估計(jì)，硅光芯片市場(chǎng)在未來(lái)幾年可能會(huì)出現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，從2020年的8700萬(wàn)美元增長(zhǎng)至2026年的11億美元，并預(yù)測(cè)，從2021年開(kāi)始的五年內(nèi)，復(fù)合年增長(zhǎng)率為49%。Yole的預(yù)測(cè)硅光平臺(tái)將會(huì)出現(xiàn)多種新應(yīng)用，且認(rèn)為增長(zhǎng)最快的將是醫(yī)療健康和光計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用。

  有其他第三方研究報(bào)告，對(duì)硅光市場(chǎng)預(yù)測(cè)更加樂(lè)觀。據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)Lightcounting預(yù)測(cè)，到2026年硅光在光模塊市場(chǎng)份額將超過(guò)50%，2021~2026年硅光模塊市場(chǎng)累計(jì)將達(dá)288億美元。

  1)硅光在電信和數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

  目前硅光集成主要的應(yīng)用領(lǐng)域在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)的應(yīng)用、骨干網(wǎng)的相干應(yīng)用，以及數(shù)據(jù)中心間的互聯(lián)。出貨的硅光模塊產(chǎn)品主要分為兩大類(lèi)：短距離數(shù)據(jù)中心光模塊和中長(zhǎng)距離的電信相干模塊。

  數(shù)據(jù)中心光模塊從幾年前100G到現(xiàn)在的400G、800G、未來(lái)要到1.6T。硅光100G模塊和傳統(tǒng)100G模塊在數(shù)據(jù)中心的競(jìng)爭(zhēng)中沒(méi)有取得較大優(yōu)勢(shì)，400G的傳輸速率可能是硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，400G及以上的光模塊采用硅光方案將具有更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。有些公司已經(jīng)開(kāi)始批量400G DR4和研發(fā)800G硅光的芯片，個(gè)別公司甚至在投入研發(fā)超過(guò)1.6的硅光模片設(shè)計(jì)。下圖是數(shù)據(jù)中心光模塊的演進(jìn)預(yù)測(cè)：

  業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)促進(jìn)5G前傳光模塊在向50/100G演進(jìn)，而城域接入與匯聚層逐漸下沉，向相干高速和高集成度演進(jìn)，因?yàn)橄喔晒韫夥桨傅膬?yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的溫控設(shè)計(jì)，可以大幅解決相干產(chǎn)品的缺陷，有更好的單纖容量和傳輸距離，100G 相干硅光模塊已經(jīng)獲得了一定的應(yīng)用，但成本還是很高，相對(duì)用量不大，市場(chǎng)還可以接受。硅光成為相干檢測(cè)大規(guī)模商用的重要技術(shù)基礎(chǔ)，廠家正在角逐200GZR、400GZR相干技術(shù)規(guī)模商用，同時(shí)，800G相干方案也已納入預(yù)研階段。

  2)硅光在計(jì)算方面的應(yīng)用

  AI高速發(fā)展將依靠算法、數(shù)據(jù)和算力。在摩爾定律逐漸失效的情況下，如何繼續(xù)保持計(jì)算性能提升，這將成為了一項(xiàng)挑戰(zhàn)，將硅光技術(shù)引入AI計(jì)算也許是一種不錯(cuò)的選項(xiàng)。有望成功的方案是以馬赫-曾德?tīng)?Mach-Zehnder)干涉儀為基礎(chǔ)，以光學(xué)方式進(jìn)行矩陣乘法。

  國(guó)際上有Lightmatter和Lightelligence，開(kāi)發(fā)以光云計(jì)算為基礎(chǔ)的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器并推出樣機(jī)，有望開(kāi)始銷(xiāo)售使用這種芯片的光學(xué)加速板。另一家Luminous的公司將脈沖和光學(xué)這兩種節(jié)能方法結(jié)合起來(lái)的技術(shù)其前景也值得期待。

  國(guó)內(nèi)從事光計(jì)算的初創(chuàng)企業(yè)也不少，曦智科技是其中之一。曦智科技在一級(jí)市場(chǎng)獲得多家知名投資機(jī)構(gòu)的投資，并于2021年推出的新一代光子計(jì)算處理器PACE。另一家光子算數(shù)，推出了光電混合 AI 加速計(jì)算卡。

  當(dāng)然，光計(jì)算雖然前景值得期待，但還有許多技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決，如：需要提高模擬光學(xué)計(jì)算的精度和動(dòng)態(tài)范圍。因?yàn)楣馓幚砥魇艿礁鞣N噪聲源的影響而精度有限，但實(shí)際應(yīng)用中卻需要更高的精度。

  3)硅光在激光雷達(dá)中的應(yīng)用

  激光雷達(dá)大致原理是光源發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，探測(cè)物體反射回來(lái)的光信號(hào)形成點(diǎn)云圖，通過(guò)測(cè)量時(shí)間差或相位差來(lái)確定物體距離等信息，最大優(yōu)勢(shì)在于能夠利用多譜勒成像技術(shù)，創(chuàng)建出目標(biāo)清晰的3D圖像。其包括光學(xué)測(cè)距、光學(xué)掃描和信號(hào)處理控制。

  激光雷達(dá)能否成功大規(guī)模商用，核心點(diǎn)要依賴(lài)光學(xué)掃描和光學(xué)測(cè)距兩部分的成本、體積和性能。FMCW測(cè)距和OPA掃描是理想的方案， 基于硅光芯片的FMCW和OPA的激光雷達(dá)，可極大地提高激光雷達(dá)系統(tǒng)集成度，減小系統(tǒng)體積和重量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，降低成本及裝配難度。

  激光雷達(dá)市場(chǎng)是一塊千億級(jí)的誘人的大蛋糕，目前處在市場(chǎng)爆發(fā)前期的孕育階段，還沒(méi)有確定的市場(chǎng)格局，群雄角逐好戲正上演。Mobileye已經(jīng)展示與Intel合作開(kāi)發(fā)出硅光芯片的激光雷達(dá)，國(guó)內(nèi)摩爾芯光和LuminWave也都聲稱(chēng)開(kāi)發(fā)出基于硅光芯片的激光雷達(dá)。

  4)硅光在消費(fèi)和生物健康領(lǐng)域的應(yīng)用

  硅光在消費(fèi)電子和生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用也被寄予厚望。光可快速、超靈敏地檢測(cè)多種關(guān)鍵生物標(biāo)志物，以及基于硅光芯片低成本可批量制造，故可作為DNA、葡萄糖、分子和細(xì)胞分析傳感器等應(yīng)用。蘋(píng)果公司與美國(guó)Rockley Photonics公司合作開(kāi)發(fā)“穿戴式診斷”的硅光子模塊，可能會(huì)開(kāi)發(fā)具有保健功能的電子類(lèi)產(chǎn)品如智能手表等。Bialoom也在進(jìn)行硅光子生物傳感器技術(shù)研究，想制造出高性能、具有經(jīng)濟(jì)效益的生物芯片檢測(cè)感染存在。

  硅光在消費(fèi)電子和生物健康領(lǐng)域的應(yīng)用雖然還在探索階段，但其市場(chǎng)想象的空間可能比電信和數(shù)據(jù)中心加起來(lái)的空間都大得多。

  因此，硅光具有豐富的應(yīng)用和廣闊的市場(chǎng)前景，國(guó)內(nèi)外巨頭紛紛布局。國(guó)外的企業(yè)Intel、思科、Acacia、Luxtera及SiFotonics等均已推出多款基于硅光技術(shù)的器件產(chǎn)品，在行業(yè)內(nèi)占據(jù)頭部地位。其他如Finisar、Oclaro、博通、Leti、Infinera、Rockley Photonics、Skorpios、Ciena、Molex 和 IMEC、ST、臺(tái)積電、格芯、Fabrinet等也都是這個(gè)領(lǐng)域不可或缺的參與者。國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域晚一點(diǎn)，在技術(shù)研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與國(guó)外巨頭相比仍有不小的差距，目前仍處于追隨者的地位。光迅、阿里、海信、旭創(chuàng)和新易盛等都有不同的硅光產(chǎn)品推出。硅光的產(chǎn)業(yè)鏈如圖：

  四、硅基光電子的挑戰(zhàn)

  作為應(yīng)對(duì)“后摩爾定律”可選擇的方案之一，硅光雖“火”，但還沒(méi)有“上火”，因?yàn)楣韫馊悦媾R著不少挑戰(zhàn)。1)首先硅的缺點(diǎn)不少：不發(fā)光，無(wú)法直接傳輸光信號(hào)和無(wú)法直接探測(cè)光信號(hào);2)耦合插損大;3)硅光芯片設(shè)計(jì)和模塊設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)化案;4)產(chǎn)業(yè)鏈不成熟。

  硅光上下游需補(bǔ)齊短板，構(gòu)建完整成熟的硅基光電子集成產(chǎn)業(yè)鏈，我們才有可能看到 “后摩爾時(shí)代“ 的硅光之光。

  總之，21世紀(jì)將是微電子、光電子和硅基光電子共存共榮的時(shí)代，對(duì)投資者來(lái)說(shuō)是很好的投資機(jī)會(huì)。