后摩尔定律时代新赛道—硅光子芯片技术

纵观芯片发展的历史，总是离不开一个人们耳熟能详的概念 ——“摩尔定律”。

但随着半导体产业化进程的不断加快，摩尔定律日渐式微；而近几年光电子技术的新起，也预示着半导体领域竞争新赛道的出现：

在芯片技术的发展过程中，随着芯片制程的逐步缩小，互连线引起的各种效应成为影响芯片性能的重要因素。芯片互连是目前的技术瓶颈之一，而硅光子技术则有可能解决这一问题。

但是随着芯片制程的不断进步，单个元器件越来越小，逐渐逼近物理极限，摩尔定律似乎不太好用了，芯片内部的互连线引起的各种微观效应成为影响芯片性能的重要因素，而芯片互连是目前的技术瓶颈之一。

在此背景下，或许我们应该先了解什么是硅光子芯片技术：

图片来自：华西证券

顾名思义，硅光子芯片技术是一种光通信技术，使用激光束代替电子半导体信号传输数据，是基于硅和硅基衬底材料（如：SiGe/Si、SOI ）等；并利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。

其中，硅光子技术也结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术，这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。

其次，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，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。

紧接着，硅光子技术是由四个关键器件来组成：

光源：生产光信号的器具，通常采用激光器或LED。

光波导：将光信号导到需要的位置，通常采用硅基光波导。

调制器：用于调制光信号的强度、相位或频率，通常采用光电调制器。

探测器：将光信号转换为电信号的器具，通常采用光电二极管或光电探测器。

基于，硅光波导的多种光无源器件和有源器件均已先后开发成功，其中不少达到了实用化水平；由于硅属于间接带隙半导体材料，不能直接构成电驱动激光器和光放大器，需要通过不同材料的混合集成加以实现。

图片来自：华西证券

接下来，我们应熟知硅光子技术的核心优势：

集成度高：硅光子技术以硅作为集成芯片的衬底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件；与传统方案相比，硅光子技术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。

成本下降潜力大：传统的GaAs/InP衬底因晶圆材料生长受限，生产成本较高。近年来，随着传输速率的进一步提升，需要更大的三五族晶圆，芯片的成本支出将进一步提升；与三五族半导体相比，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

波导传输性能优异：硅的禁带宽度为1.12eV，对应的光波长为1.1μm。因此，硅对于1.1-1.6μm的通信波段（典型波长1.31μm/1.55μm）是透明的，具有优异的波导传输特性；此外，硅的折射率高达3.42，与二氧化硅可形成较大的折射率差，确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。

此外，对于我国目前的半导体产业来说，硅光子芯片有它独有的优势——可以避开先进***的掣肘；

虽然，它在制作流程和复杂程度上同传统芯片相似，但它对于制程工艺的先进程度要求不高，不像传统芯片那样制程和能效的关联性巨大，一般百纳米级的工艺水平就能满足硅光子芯片的要求。

再者，这对于我国来说，120纳米左右的芯片是完全可以自主生产的，这样就可以绕开先进制程工艺的限制，在未来实现换道超车。

随着摩尔定律逐渐遭遇天花板，硅光子技术的投入研发再次被重视，越来越多的科技公司开始加大对硅光子技术领域的研发投入。

图片来自：Yole Group

尤其，在10nm后硅基CMOS摩尔定律开始失效，传统集成电路、器件提升带宽模式逼近极限。

相比之下，硅光技术有机结合了成熟微电子和光电子技术，既减小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成为“超越摩尔”的新技术路径。面对硅光子技术的确定性发展趋势，海内外巨头公司瞄准硅光子技术新赛道。

据YOLE分析，硅光子在光收发器市场的份额预计到2027年可能会从目前的20％扩大到30％左右；用于消费者健康设备的硅光子学预计到2027年复合年增长率将达到30％，达到2.4亿美元；用于人工智能和其他高端计算应用的光子处理器的复合年增长率将达到142％，达到2.44亿美元。

相比之下，硅光子芯片封装也面临着困扰：芯片封装是任何芯片的必经流程，关于硅光子的芯片封装问题，这是目前行业的一大痛点。

因此，硅光芯片的封装主要分为两个部分：其一是光学部分的封装，其二则是电学部分的封装。

目前，从光学封装角度来说，因为硅光芯片所采用的光的波长非常的小，跟光纤存在着不匹配的问题，与激光器也存在着同样的问题。不匹配的问题就会导致耦合损耗比较大，这是硅光芯片封装与传统封装相比最大的区别；用硅光做高速的器件，随着性能的不断提升，Pin的密度将会大幅度增加，这也会为封装带来很大的挑战。

不难发现，作为下一代的半导体技术，其技术本身的起步已很早就开始，早在上世纪九十年代，就提出了有关的一些概念，是为了在芯片发展到物理极限后取而代之，以延续摩尔定律。

21世纪初开始，以Intel和IBM为首的企业与学术机构就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；

不久前，台积电宣布联手英特尔押注硅光子芯片，加上近期又传出苹果在研究硅光子芯片的应用，硅光子芯片开始进入大众视野。

放眼未来，伴随着人工智能、物联网发展，硅光子芯片在智能终端、大数据、超算等领域将发挥巨大作用，正是有着如此多的优势和特点，在大数据、生命科学、激光武器等高端领域其作用不可替代。

审核编辑：刘清