硅光子芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)白熱化，我國(guó)硅光發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在差距
縱觀芯片發(fā)展的歷史，總是離不開(kāi)一個(gè)人們耳熟能詳?shù)母拍睢澳柖伞啊＜矗杭呻娐飞峡梢匀菁{的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍。換言之，處理器的性能大約每?jī)赡攴槐?，同時(shí)價(jià)格下降為之前的一半。但是隨著芯片制程的不斷進(jìn)步，單個(gè)元器件越來(lái)越小，逐漸逼近物理極限，摩爾定律似乎不太好用了，芯片內(nèi)部的互連線所引起的各種微觀效應(yīng)成為影響芯片性能的重要因素，而芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一，就好比我們的公路，當(dāng)?shù)缆返膶挾戎饾u逼近上面行駛的汽車，就會(huì)越來(lái)越難以在上面行駛。當(dāng)芯片越做越小時(shí)，互聯(lián)線也需要越來(lái)越細(xì)，互連線間距縮小，電子元件之間引起的各種量子效應(yīng)也會(huì)越來(lái)越影響電路的性能。
01什么是硅光子芯片
那么，到底什么是硅光子芯片呢？顧名思義，硅光子芯片就是利用硅光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實(shí)現(xiàn)光子器件的集成制備。被業(yè)界認(rèn)為是延續(xù)摩爾定律發(fā)展的技術(shù)之一。常見(jiàn)的互連線材料諸如鋁、銅、碳納米管等，而這些材質(zhì)的互連線無(wú)疑都會(huì)遇到物理極限，而光互連則不然。硅光子技術(shù)采用的基礎(chǔ)材料是玻璃。由于光對(duì)于玻璃來(lái)說(shuō)是透明的，不會(huì)發(fā)生干擾現(xiàn)象，因此理論上可以通過(guò)在玻璃中集成光波導(dǎo)通路來(lái)傳輸信號(hào)，很適合于計(jì)算機(jī)內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。在光互連中，最大的優(yōu)勢(shì)就是其超高速的傳輸速度，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。但是，作為下一代的半導(dǎo)體技術(shù)，其技術(shù)本身的起步已很早就開(kāi)始了。早在上世紀(jì)九十年代，就提出了有關(guān)的一些概念，是為了在芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。21世紀(jì)初開(kāi)始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。
目前來(lái)看，硅光芯片主要有三大優(yōu)勢(shì)：集成度高、成本下降潛力大、波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異。
首先，對(duì)于硅光芯片來(lái)說(shuō)，其襯底依舊是目前最成熟的硅，但是芯片間的互連采用更加緊湊的光來(lái)完成，與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度；
其次，硅光子芯片的基礎(chǔ)材料不需要傳統(tǒng)先進(jìn)芯片的GaAs/InP襯底，只需要硅基材料即可，一旦大規(guī)模生產(chǎn)，芯片成本將會(huì)得以大幅降低；
最后，硅的禁帶寬度為1.12eV，對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)為1.1μm。因此，硅對(duì)于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長(zhǎng)1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性。此外，硅的折射率高達(dá)3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。
還有一點(diǎn)很值得注意，就是對(duì)于我國(guó)目前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，硅光子芯片有它獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)——可以避開(kāi)先進(jìn)光刻機(jī)的掣肘。雖然它在制作流程和復(fù)雜程度上同傳統(tǒng)芯片相似，但是它對(duì)于制程工藝的先進(jìn)程度要求不高，不像傳統(tǒng)芯片那樣制程和能效的關(guān)聯(lián)性巨大，一般百納米級(jí)的工藝水平就能滿足硅光子芯片的要求，這對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，120納米左右的芯片是完全可以自主生產(chǎn)的，這樣就可以繞開(kāi)先進(jìn)制程工藝的限制，在未來(lái)實(shí)現(xiàn)換道超車。
02硅光芯片設(shè)計(jì)上的“攔路虎”
（一）缺少設(shè)計(jì)和制造工具
目前，硅光子的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具，多效仿或來(lái)自于微電子領(lǐng)域的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）。EDA 對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)多通過(guò)已驗(yàn)證元件的組合，這些元件一般包含于工藝廠提供的工藝設(shè)計(jì)包（PDK）。目前在一些硅光子多項(xiàng)目晶圓（MPW）流片中，工藝廠已經(jīng)開(kāi)始提供PDK用于硅光子領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，但是功能仍十分有限。另一方面，硅光子設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的需求，EDA 工具無(wú)法滿足其自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求，亟需針對(duì)硅光子設(shè)計(jì)的硅光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（PDA）工具。
另一大挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)工具非標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)與制造分離，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與仿真工具，以及設(shè)計(jì)套件（PDK）。設(shè)計(jì)光電芯片與電芯片有很大的不同。光學(xué)中的交叉電路并不違規(guī)，不會(huì)像電氣設(shè)計(jì)那樣造成短路。此外，大多數(shù)光電學(xué)芯片都是在130nm-90nm下開(kāi)發(fā)的，其成本更低，更容易使用。但大的問(wèn)題是缺乏適宜的工具。
由于硅光集成仍在發(fā)展探索階段，代工廠擁有各自的PDK，器件參數(shù)各不相同。工程師設(shè)計(jì)原理圖的同時(shí)，也要考慮底層元器件的性能參數(shù)。除了使用代工廠提供的PDK外，客戶也根據(jù)代工廠的設(shè)計(jì)文件，進(jìn)行器件的獨(dú)立設(shè)計(jì)。
（二）光子鏈路的仿真
在整個(gè)硅光子設(shè)計(jì)流程中，光子鏈路仿真也是令人頭疼的問(wèn)題。相比成熟的微電子仿真設(shè)計(jì)，光電子仿真設(shè)計(jì)的計(jì)算量大，標(biāo)準(zhǔn)化器件少，從而導(dǎo)致自動(dòng)化程度較低。而光電子集成芯片在大容量光通信、光計(jì)算、光成像、光傳感等領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)光電融合仿真設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
光電子集成芯片設(shè)計(jì)流程以器件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，自底而上。
1. 利用TCAD 工具進(jìn)行材料工藝仿真，得到材料的光電特性等基礎(chǔ)參數(shù)，形成相應(yīng)的材料庫(kù)；
2. 進(jìn)行無(wú)源以及有源器件的仿真設(shè)計(jì)。其中無(wú)源器件通常采用FDTD、EME、BPM 等仿真算法。有源仿真則通過(guò)求解薛定諤方程、載流子輸運(yùn)方程、泊松方程等獲得器件的電學(xué)性能和光學(xué)性能。
3. 之后進(jìn)一步形成器件庫(kù)與器件緊湊模型，并基于緊湊模型進(jìn)行鏈路仿真，然后進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)、寄生提取及后仿驗(yàn)證。
光電全鏈條仿真工具（來(lái)源：光電子集成芯片研究報(bào)告）
仿真方法一般是利用散射矩陣的形式來(lái)描述鏈路中光子器件及其之間的連接，但是由于光子器件本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，很難使用單一的散射矩陣來(lái)描述其屬性。另一方面，現(xiàn)在的工藝已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)單片數(shù)以千計(jì)的無(wú)源有源器件混合集成，相互之間帶來(lái)的寄生效應(yīng)更難以用單一矩陣形式描述，更不用說(shuō)光電集成時(shí)的所面臨的光電混合仿真。
要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的光子鏈路仿真，其根本在于構(gòu)建精確的基礎(chǔ)光子器件的行為模型，這同樣帶來(lái)了設(shè)計(jì)上的另一個(gè)挑戰(zhàn)——光子鏈路仿真的不確定性。
通常我們通過(guò)集中于光子器件的物理仿真，以構(gòu)建用于光子鏈路的器件模型，但是受制于光子器件模型的復(fù)雜性，以及其功能特性對(duì)模型結(jié)構(gòu)精確度的敏感性，很難從物理模型中提取器件的行為模型，這也導(dǎo)致了光子鏈路仿真的不確定性，使得設(shè)計(jì)流程經(jīng)常需要在鏈路仿真與器件優(yōu)化之間做更多次的設(shè)計(jì)迭代。此外，大多數(shù)的硅基光電子器件均是波長(zhǎng)依賴型，且受到溫度等其他物理特性的影響，一旦環(huán)境改變，還需要再次進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
（三）布圖設(shè)計(jì)-波導(dǎo)器件異常敏感
硅光子鏈路與器件設(shè)計(jì)完成后需要生成掩模版圖，用于提交給工藝廠進(jìn)行制備。布圖的生成一般仍獨(dú)立于鏈路設(shè)計(jì)，而且多沿用EDA 中使用的工具。與電路布圖多是橫平豎直的矩形結(jié)構(gòu)不同，硅光子鏈路及器件的結(jié)構(gòu)需要考慮導(dǎo)波的需求，考慮波導(dǎo)器件性能對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的敏感性，實(shí)際制備時(shí)需要非常精準(zhǔn)的套刻工藝。
另一個(gè)難點(diǎn)是布局與布線。對(duì)硅光子器件來(lái)講，要面臨比電子器件布局中更多的限制。器件的連接則要考慮器件端口結(jié)構(gòu)與連接波導(dǎo)類型、角度的匹配，對(duì)于相位敏感的鏈路結(jié)構(gòu)，還需要精確控制不同鏈路中的連接波導(dǎo)長(zhǎng)度。在送交布圖到工藝廠加工之前，驗(yàn)證工作也是必不可少的。目前用于硅光子的驗(yàn)證工具多直接來(lái)源于EDA 工具的定制，僅能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）。由于光電器件之間的諸多差異，DRC 的實(shí)現(xiàn)也是十分有限的。
03硅光市場(chǎng)“大變天”，競(jìng)爭(zhēng)白熱化
對(duì)于硅光子，大多數(shù)玩家看中的并不是它的性能，而是硅的原料豐富性、可規(guī)模制作性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、以及靈活的可摻雜性等各種性質(zhì)優(yōu)勢(shì)；但利用龐大半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)并不是沒(méi)有缺點(diǎn)，由于這個(gè)產(chǎn)業(yè)的專業(yè)細(xì)分化和各層次的高度成熟性，使得在未形成有效的Fabless-Foundry 模式前，進(jìn)入門檻和初始投入非常大。無(wú)論對(duì)于初創(chuàng)公司還是大公司的部門，都需要準(zhǔn)備大量的研發(fā)資源并仔細(xì)考慮其應(yīng)用場(chǎng)景。
那么，硅光芯片能否突破摩爾定律的“天花板”，開(kāi)辟新的“賽道”？
仍存需要突破的技術(shù)瓶頸
“硅光子技術(shù)的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易?！北本┼]電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李培剛告訴科技日?qǐng)?bào)記者，早在上世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開(kāi)始為傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，光子計(jì)算一度被認(rèn)為是最有希望的未來(lái)技術(shù)?！耙蚣夹g(shù)上的原因，直到21世紀(jì)初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)才率先重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)傳輸技術(shù)，期望能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。”李培剛說(shuō)。
硅光芯片制造技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料，利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝進(jìn)行光器件開(kāi)發(fā)和集成的技術(shù)，其結(jié)合了集成電路技術(shù)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)，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶圓制造技術(shù)是相輔相成的。
我國(guó)十分重視硅光芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但剛開(kāi)始時(shí)，國(guó)內(nèi)的高端硅光芯片以設(shè)計(jì)為主，流片主要還是在國(guó)外，芯片制備的周期長(zhǎng)、成本高，制約了我國(guó)硅光子技術(shù)的發(fā)展，“加之國(guó)外限制中國(guó)的芯片技術(shù)發(fā)展，采取了一系列措施，對(duì)我國(guó)硅光芯片企業(yè)的發(fā)展造成了較嚴(yán)重的影響?！?/span>
硅光技術(shù)發(fā)展主要可以分為3個(gè)階段：
第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來(lái)，達(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化；
第二，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)部分集成，再把這些器件像樂(lè)高積木一樣，通過(guò)不同器件的組合，集成不同的芯片；
第三，光電一體技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。
盡管硅光技術(shù)日趨成熟，硅光芯片即將進(jìn)入規(guī)?；逃秒A段，但是仍存在需要突破的技術(shù)瓶頸，如設(shè)計(jì)工具非標(biāo)準(zhǔn)化、硅光耦合工藝要求較高以及晶圓自動(dòng)測(cè)試及切割等存在技術(shù)性挑戰(zhàn)。
我國(guó)在硅光芯片的研發(fā)上已經(jīng)取得了技術(shù)突破，但在產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)產(chǎn)硅光芯片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)還存在一些問(wèn)題，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、器件封裝和應(yīng)用配套等，需要不斷發(fā)展成熟，除了技術(shù)本身，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化也會(huì)受到材料、工藝、裝備、軟件、人才以及市場(chǎng)生態(tài)等綜合因素的影響。所以，在對(duì)技術(shù)方面的研發(fā)進(jìn)行投入之外，形成一個(gè)好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，搭建平臺(tái)、優(yōu)化生態(tài)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游加大合作，對(duì)于硅光芯片的發(fā)展也是非常重要的。”李培剛說(shuō)。
04我國(guó)硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)正處于追趕者的地位。由于我國(guó)進(jìn)入硅光領(lǐng)域較晚，但在硅光子學(xué)的發(fā)展方面非?；钴S，有許多參與者參與其中。盡管該行業(yè)在我國(guó)仍處于起步階段，但正在形成合作伙伴和合資企業(yè)。目前主要通過(guò)并購(gòu)或者與外企合作的模式切入，正處于追趕者的地位。我國(guó)目前在硅光領(lǐng)域開(kāi)展布局的企業(yè)主要有華為、光迅科技、亨通光電、博創(chuàng)科技等。
我國(guó)硅光發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在差距。我國(guó)在光模塊產(chǎn)業(yè)鏈中，上游核心芯片和器件一直比較弱，尤其是25Gb/s以上的高速高端芯片領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化率極低。高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）嚴(yán)重依賴進(jìn)口，與國(guó)外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在明顯差距。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2.5Gb/s光通信芯片國(guó)產(chǎn)化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片國(guó)產(chǎn)化率卻不超過(guò)5%，非常依賴Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。在目前的硅光技術(shù)中，依然呈現(xiàn)出這種態(tài)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)廠商更多依靠封裝能力與歐美芯片廠商合作，來(lái)切入產(chǎn)業(yè)鏈，后期通過(guò)技術(shù)積累提升自研芯片技術(shù)是重要發(fā)展方向。
在設(shè)計(jì)方面，架構(gòu)不夠完善，體積和性能平衡的問(wèn)題沒(méi)有妥善解決。在制備方面，我國(guó)的硅光芯片大部分都需要國(guó)外代工，對(duì)外依賴度大。在封裝方面，硅光器件之間的耦合以及大密度集成仍然存在問(wèn)題。
在測(cè)試方面，高速儀器儀表還嚴(yán)重依賴國(guó)外。
在推廣應(yīng)用方面，雖然第一代硅光相干芯片已經(jīng)完成研制，但是距離應(yīng)用還有一段路要走，關(guān)于如何在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域發(fā)揮硅光技術(shù)優(yōu)勢(shì)，降低成本，依然是我國(guó)硅光發(fā)展需要面臨的問(wèn)題。
在企業(yè)規(guī)模上，相比集成電路企業(yè)，我國(guó)硅光企業(yè)大都規(guī)模較小，芯片嚴(yán)重依賴國(guó)外，企業(yè)實(shí)力較弱，垂直整合能力較差，雖然有一些硅光企業(yè)，但大都是設(shè)計(jì)、后道制程和封裝企業(yè)，具有芯片制備能力的企業(yè)寥寥無(wú)幾。
奮起直追，硅光技術(shù)被列入國(guó)家重點(diǎn)扶持方向
我國(guó)在“十五”到“十四五”期間，對(duì)硅基光電子技術(shù)研究不斷給予投入，政策上不斷給予支持。目前在硅基激光器/調(diào)制器/探測(cè)器等高性能單元器件、硅光片上復(fù)用技術(shù)、硅光量子芯片、硅光芯片傳輸功能研究和系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證等核心技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展，在硅光技術(shù)基礎(chǔ)研究方面接近國(guó)際一流水平。我國(guó)的硅光芯片產(chǎn)業(yè)布局也愈發(fā)完善，我國(guó)被稱為“光芯”的城市約有六座，目前，已經(jīng)形成武漢、大連、上海、南通等全球知名的光子芯片產(chǎn)業(yè)鏈。
隨著技術(shù)的發(fā)展，包括硅、氮化硅、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用于研發(fā)單片集成或混合集成的光子芯片。光子集成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了明顯突破。
縱觀歷史，科技革命的擴(kuò)散周期大約為60年，集成電路從20世紀(jì)60年代誕生至今也已過(guò)去60年，硅光芯片無(wú)疑是引領(lǐng)下一個(gè)60年的關(guān)鍵。屬于硅光芯片的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，但硅芯片行業(yè)一直殘酷地循環(huán)著優(yōu)勝劣汰和洗牌，誰(shuí)能追逐得更快，誰(shuí)才會(huì)成功。任何玩家想在硅光領(lǐng)域里一展宏圖，還需要翻越眾多“技術(shù)高山”………
