后摩尔时代耀眼的新星 - 硅光子芯片! 台积电等芯片巨头纷纷入局

0 智通财经网 2023-09-18 14:41:29

摘要：

全球芯片制造巨头台积电（TSM.US）正大举押注芯片制造领域的下一代最前沿技术——硅光子学（silicon photonics）芯片，以刺激业绩增长，并力争使ChatGPT等生成式人工智能应用变得更加强大。硅光子学是一个将硅芯片与光学技术相结合的新兴技术领域。

台积电是全球最大规模的合同芯片代工厂商，目前能够生产出市场上最先进的人工智能（AI）芯片，包括英伟达A100/H100芯片。台积电高管Douglas Yu表示，公司目前正在寻求进一步提高AI芯片性能。

“如果我们能提供一个好的硅光子集成系统……我们可以解决人工智能的能源效率和计算能力（性能）方面的关键问题，”Douglas Yu在9月5日在中国台湾半导体工业博览会开幕前的一个论坛上表示。“这将是一个新的范式转变。我们可能正处于一个新时代的开端。”

Yu表示，一个更好、更集成的硅光子系统的驱动力是运行大型语言模型（LLM）所需的巨大计算能力——这是支撑AI聊天机器人（比如ChatGPT和谷歌Bard）和其他人工智能计算应用程序的技术。

有媒体报道称，台积电已组建了一支约200人的研发团队，瞄准明年即将到来的硅光子超高速芯片商机；该公司不仅正在积极推进硅光子芯片技术，还在与博通和英伟达等大客户进行合作，共同开拓以该技术为中心的应用场景。媒体报道称，此次合作旨在生产下一代硅光子芯片，相关制程可能涵盖45nm至7nm，预计最快将于2024年下半年开始走向应用终端。

摩尔定律逼近极限，硅光子芯片登上舞台中央

摩尔定律逼近极限已很大程度上导致传统电子芯片性能强化幅度放缓，硅光子芯片则提供了一种基于光技术的性能强化方案，使得芯片性能在纳米制程技术受限的情况下加速扩张。

随着全球芯片领域的创新与发展步入“后摩尔时代”（Post-Moore Era），作为曾推动人类社会发展主力军的CPU已经无法实现像22nm-10nm那样在不到5年间实现“阔nm”级别的快速突破，后续nm级别突破面临制造成本极其高昂、量子隧穿技术难题等重重阻碍。

但是随着AI时代到来，意味着全球算力需求迎来爆炸式增长，具备极高性能的芯片需求只会日益增长，这也使得结合光学技术与硅基集成电路的硅光子芯片在芯片制造领域的重要性愈发凸显。

硅光子学技术是一种将激光器件等光学元件与硅基集成电路集成在一起的技术，通过光而不是电信号来实现高速数据传输、更长的传输距离和低功耗。此外，它还可以提供更低的延迟。

硅光子学已成为芯片制造行业的一个密集投资领域，许多科技企业都在关注其潜在用途，从数据中心、超级计算机和网络设备，到自动化无人驾驶汽车和国防雷达系统。硅光子技术目前用于光通信和光传感等领域，重点在于传输、处理和操控光信号；典型应用包括数据中心互连、高性能计算、光纤通信等。

因此，硅光子芯片在高速数据通信和数据中心互连等高带宽、低功耗应用场景中具有相当大的潜力。随着基于AI技术的云计算服务和ChatGPT生成式AI应用渗透率增长带来算力需求激增，硅光子芯片可能会在这些领域发挥着重要作用。

英特尔、思科和IBM等科技巨头长期以来一直致力于开发自己的硅光子学解决方案和硅光子系统。

英伟达是全球目前市值最高的芯片公司，目前在为数据中心服务器提供动力加速器以开发/运行大型语言模型的芯片方面拥有最大的市场。这家美国公司此前收购了光纤互连技术提供商Mellanox。

国际半导体产业协会（SEMI）预测数据显示，到2030年，全球硅光子学半导体市场规模预计将达到78.6亿美元，预计复合年增长率将达到25.7%，从2022年的仅仅12.6亿美元规模大幅增加。

知名研究机构Mordor Intelligence预测数据则较为保守，2023年硅光子市场规模预计为14.9亿美元，该机构预计到2028年将达到45.4亿美元，在预测期内（2023-2028年）复合年增长率为24.98%。

该机构指出，硅光子学是光子学的一个发展分支，与高速传输系统中使用的半导体产品中电导体相比具有明显的优势。该技术有望将传输速度提升至 100 Gbps，IBM、Intel 和 Kothura 等科技公司利用该技术取得了突破。此外，该技术彻底改变了半导体行业，有望实现超高速数据传输和处理。

制造硅光子芯片的核心技术——先进封装技术

台积电高管Douglas Yu表示，这家芯片制造巨头正在研究利用其独家研发的先进芯片堆叠和封装技术构建集成硅光子学系统的芯片制造技术。先进的芯片封装已经成为全球最大规模的几家芯片制造商——英特尔、三星和台积电，都非常感兴趣的一个重要领域，因为2.5D/3D等先进芯片封装技术正在帮助他们制造出性能更加强大的芯片。

但是Yu也表示，这样一个集成化系统——结合和连接硅光子和不同类型的芯片，并且使用自己的先进芯片封装和堆叠技术，仍在开发和试生产中，尚未进入大规模量产。

全球最大规模的芯片封装和测试服务提供商之一日月光半导体（ASX.US）的首席执行官Tien Wu也有类似的看法，他表示，一种封装和集成硅光子学技术的新方法，对于解决下一代算力体系的关键瓶颈之一具有至关重要的作用。

目前主流的硅光子先进封装技术包括以下几种：垂直集成封装（Vertical Integration Packaging）、共封装光学（Co-Packaged Optics，CPO）、光纤封装（Fiber Attach Packaging）、波导板封装（Waveguide-Based Packaging）、玻璃基板封装（Glass Substrate Packaging）。

其中， CPO技术全球芯片制造商集中研究的封装技术领域，这是一种将光学和电子组件共同封装在同一封装中的高度集成方法。这有助于减小光学和电子之间的距离，提高数据中心互连的能效和性能。有业内分析人士表示，随着台积电、英特尔、英伟达、博通等芯片巨头都陆续开展硅光子芯片，以及至关重要的共封装光学（CPO）技术，预计最快CPO市场2024年将出现爆发式增长。

知名研究机构Spherical insights近日公布的研究报告显示，预计2022年至2032年全球共封装光学市场的复合年增长率为68.9%，预计到 2032年全球共封装光学市场预计将达到28.4亿美元，该机构测算的2022年市场仅为 1500 万美元。