台积电押注硅光芯片，预计2025年进入大批量生产

  ICC讯 据报道，台积电已经组建一支约200人的研发团队，专注于推进硅光子技术和应用。据称，台积电还在与博通和英伟达等大客户进行谈判，共同开发以该技术为中心的应用。相关制程技术覆盖45nm至7nm，预计相关产品最早于2024年下半年获得订单，2025年将进入大批量生产阶段。

  什么是硅光子技术

  硅光子技术用激光束代替电子信号传输数据，是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术。英特尔实验室通过混合硅激光器技术的集成激光器，首次实现了基于硅光子的数据连接。

  硅光子技术利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。与晶体管主要依赖于普通硅材料不同，硅光子技术采用的基础材料是玻璃。由于玻璃对于光来说是透明的，不会发生干扰现象，因此理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号，很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高。

  激光传输一般包括两个终端站和一个中继站，由光纤作为线路。每个终端站都有一个光端机，其中发送设备的功能主要是产生激光，把电信号变换成为光信号，即电/光转换。接收设备主要是光检测和放大，把光信号转换为电信号，即光/电转换。中继站则把接收的光信号变为电信号，经过判决再生处理，又把电信号转换为光信号发送出去。

  其实，硅光子技术诞生已久。早在1969年，美国的贝尔实验室的S.E.Miller首次提出了集成光学的概念，但是由于InP波导的高损耗和工艺落后难以实现大规模集成，这一技术在当时未能掀起波澜。

  21世纪初，以英特尔和IBM为首的企业与学术机构开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路，以延续摩尔定律。

  2006年，英特尔和加州大学圣芭芭拉分校成功研发出世界上首款采用标准硅工艺制造的电子混合硅激光器。2008年，英特尔推出“雪崩硅激光探测器”，它一举将硅光子技术的增益带宽积提升到340GHz。2010年，英特尔开发出首个50Gb/s超短距硅基集成光收发芯片后，硅光芯片开始进入产业化阶段。

  随后，欧美一批传统集成电路和光电巨头通过并购迅速进入硅光子领域抢占高地。目前英特尔也是在硅光领域布局最全面的公司。

  硅光子能解决AI能效和算力问题

  硅光芯片是一种利用硅基材料和工艺，将光电子器件集成在同一芯片上的新型集成电路。硅光芯片主要由调制器、探测器、无源波导器件等组成，它可以将多种光器件集成在同一硅基衬底上，实现光信号的产生、传输、控制和检测等功能。

  硅光芯片是以光子和电子为信息载体的硅基光电子大规模集成技术，能够大大提高集成芯片的性能，是大数据、人工智能、未来移动通信等新兴产业的基础性支撑技术，可广泛应用于大数据中心、5G、物联网等产业。

  此前，硅光子技术并没有受到过多重视，其中一个原因是导入过程中面临的工艺难度和成本考量。另外芯片行业之前并没有那么迫切的需要更高效率的芯片连和高算力、高带宽。如今，以大模型和生成式AI为代表，AI已经席卷整个科技界，而AI掀起技术狂潮实际上也带来了诸多的挑战，尤其是在半导体技术上，而硅光子技术却能解决这些难题。

  硅光子技术可以将电换成传输速度更快的光，实现更快的传输速率、更远的传输距离以及更低的功耗和延迟。理论上，当我们将光学接口与CPU和GPU封装在一起，能够有效扩展GPU间的带宽，同时节省能耗和面积，真正将数百台服务器作为一个巨型的GPU。

  台积电系统集成探路副总裁余振华此前表示：“如果我们能够提供良好的硅光子整合系统，我们就可以解决AI的能源效率和计算能力的关键问题。这将是一个新的范式转变，我们可能处于一个新时代的开端。”他说：“一个更好、更集成的硅光子系统是运行大型语言模型和其他人工智能计算应用程序所需的强大计算能力的驱动力。”

  小结

  近些年人工智能，尤其是大语言模型的发展，对芯片提出了更高的要求。硅光子技术凭借高传输速率、高能效比、超低延迟等诸多优势，成为业界关注的重点。虽然目前而言，硅光芯片在设计、制造上仍存在一些挑战，然而其在解决AI算力瓶颈上的突出优势，仍然吸引着众多大厂潜心研究。