後摩爾時代耀眼的新星——硅光子芯片! 臺積電(TSM.US)等芯片巨頭紛紛入局

智通財經APP獲悉，全球芯片製造巨頭臺積電（TSM.US）正大舉押注芯片製造領域的下一代最前沿技術——硅光子學（silicon photonics）芯片，以刺激業績增長，併力爭使ChatGPT等生成式人工智能應用變得更加強大。硅光子學是一個將硅芯片與光學技術相結合的新興技術領域。

臺積電是全球最大規模的合同芯片代工廠商，目前能夠生產出市場上最先進的人工智能（AI）芯片，包括英偉達A100/H100芯片。臺積電高管Douglas Yu表示，公司目前正在尋求進一步提高AI芯片性能。

“如果我們能提供一個好的硅光子集成系統……我們可以解決人工智能的能源效率和計算能力（性能）方面的關鍵問題，”Douglas Yu在9月5日在中國臺灣半導體工業博覽會開幕前的一個論壇上表示。“這將是一個新的範式轉變。我們可能正處於一個新時代的開端。”

Yu表示，一個更好、更集成的硅光子系統的驅動力是運行大型語言模型（LLM）所需的巨大計算能力——這是支撐AI聊天機器人（比如ChatGPT和谷歌Bard）和其他人工智能計算應用程序的技術。

有媒體報道稱，臺積電已組建了一支約200人的研發團隊，瞄準明年即將到來的硅光子超高速芯片商機；該公司不僅正在積極推進硅光子芯片技術，還在與博通和英偉達等大客戶進行合作，共同開拓以該技術爲中心的應用場景。媒體報道稱，此次合作旨在生產下一代硅光子芯片，相關製程可能涵蓋45nm至7nm，預計最快將於2024年下半年開始走向應用終端。

摩爾定律逼近極限，硅光子芯片登上舞臺中央

摩爾定律逼近極限已很大程度上導致傳統電子芯片性能強化幅度放緩，硅光子芯片則提供了一種基於光技術的性能強化方案，使得芯片性能在納米制程技術受限的情況下加速擴張。

隨着全球芯片領域的創新與發展步入“後摩爾時代”（Post-Moore Era），作爲曾推動人類社會發展主力軍的CPU已經無法實現像22nm-10nm那樣在不到5年間實現“闊nm”級別的快速突破，後續nm級別突破面臨制造成本極其高昂、量子隧穿技術難題等重重阻礙。

但是隨着AI時代到來，意味着全球算力需求迎來爆炸式增長，具備極高性能的芯片需求只會日益增長，這也使得結合光學技術與硅基集成電路的硅光子芯片在芯片製造領域的重要性愈發凸顯。

硅光子學技術是一種將激光器件等光學元件與硅基集成電路集成在一起的技術，通過光而不是電信號來實現高速數據傳輸、更長的傳輸距離和低功耗。此外，它還可以提供更低的延遲。

硅光子學已成爲芯片製造行業的一個密集投資領域，許多科技企業都在關注其潛在用途，從數據中心、超級計算機和網絡設備，到自動化無人駕駛汽車和國防雷達系統。硅光子技術目前用於光通信和光傳感等領域，重點在於傳輸、處理和操控光信號；典型應用包括數據中心互連、高性能計算、光纖通信等。

因此，硅光子芯片在高速數據通信和數據中心互連等高帶寬、低功耗應用場景中具有相當大的潛力。隨着基於AI技術的雲計算服務和ChatGPT生成式AI應用滲透率增長帶來算力需求激增，硅光子芯片可能會在這些領域發揮着重要作用。

英特爾、思科和IBM等科技巨頭長期以來一直致力於開發自己的硅光子學解決方案和硅光子系統。

英偉達是全球目前市值最高的芯片公司，目前在爲數據中心服務器提供動力加速器以開發/運行大型語言模型的芯片方面擁有最大的市場。這家美國公司此前收購了光纖互連技術提供商Mellanox。

國際半導體產業協會（SEMI）預測數據顯示，到2030年，全球硅光子學半導體市場規模預計將達到78.6億美元，預計複合年增長率將達到25.7%，從2022年的僅僅12.6億美元規模大幅增加。

知名研究機構Mordor Intelligence預測數據則較爲保守，2023年硅光子市場規模預計爲14.9億美元，該機構預計到2028年將達到45.4億美元，在預測期內（2023-2028年）複合年增長率爲24.98%。

該機構指出，硅光子學是光子學的一個發展分支，與高速傳輸系統中使用的半導體產品中電導體相比具有明顯的優勢。該技術有望將傳輸速度提升至 100 Gbps，IBM、Intel 和 Kothura 等科技公司利用該技術取得了突破。此外，該技術徹底改變了半導體行業，有望實現超高速數據傳輸和處理。

製造硅光子芯片的核心技術——先進封裝技術

臺積電高管Douglas Yu表示，這家芯片製造巨頭正在研究利用其獨家研發的先進芯片堆疊和封裝技術構建集成硅光子學系統的芯片製造技術。先進的芯片封裝已經成爲全球最大規模的幾家芯片製造商——英特爾、三星和臺積電，都非常感興趣的一個重要領域，因爲2.5D/3D等先進芯片封裝技術正在幫助他們製造出性能更加強大的芯片。

但是Yu也表示，這樣一個集成化系統——結合和連接硅光子和不同類型的芯片，並且使用自己的先進芯片封裝和堆疊技術，仍在開發和試生產中，尚未進入大規模量產。

全球最大規模的芯片封裝和測試服務提供商之一日月光半導體（ASX.US）的首席執行官Tien Wu也有類似的看法，他表示，一種封裝和集成硅光子學技術的新方法，對於解決下一代算力體系的關鍵瓶頸之一具有至關重要的作用。

目前主流的硅光子先進封裝技術包括以下幾種：垂直集成封裝（Vertical Integration Packaging）、共封裝光學（Co-Packaged Optics，CPO）、光纖封裝（Fiber Attach Packaging）、波導板封裝（Waveguide-Based Packaging）、玻璃基板封裝（Glass Substrate Packaging）。

其中， CPO技術全球芯片製造商集中研究的封裝技術領域，這是一種將光學和電子組件共同封裝在同一封裝中的高度集成方法。這有助於減小光學和電子之間的距離，提高數據中心互連的能效和性能。有業內分析人士表示，隨着臺積電、英特爾、英偉達、博通等芯片巨頭都陸續開展硅光子芯片，以及至關重要的共封裝光學（CPO）技術，預計最快CPO市場2024年將出現爆發式增長。

知名研究機構Spherical insights近日公佈的研究報告顯示，預計2022年至2032年全球共封裝光學市場的複合年增長率爲68.9%，預計到 2032年全球共封裝光學市場預計將達到28.4億美元，該機構測算的2022年市場僅爲 1500 萬美元。