综述
硅光技术是在硅和硅基衬底材料（如硅、硅锗、绝缘衬底硅SOI等）上，利用互补金属氧化物半导体（COMS）工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，其核心理念是用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光芯片就是利用成熟的半导体工艺，在硅基上直接蚀刻或集成调制器、接收器等器件，从而实现调制器、接收器、无源光学器件高度集成的芯片。
目前市场上的主流通信传输方式是通过光模块来实现光-电信号的传输。硅光芯片要取代成熟的光模块，到底有何优异之处？随着AI的不断推进，数据中心的数据量呈指数级上升，但传统的电信号传输在高速传输上有明显的缺点。据Intel公布的数据显示，在一个数据中心内部电路上，如使用PCB进行传输，在两个芯片物理距离超过1米以上的情况下，接收端收到的信号强度仅为传输端的万分之一。而光纤在以往的案例上已经证明了其在长距离传输上损耗较少，因而光信号传输在数据中心时代有得天独厚的优势。传统的光模块上，各类调制器、器件实际上是在PCB上通信，而随着人工智能时代的来临，PCB通信的制约越来越多。这种情况下，更高集成度、更低功率、更强速率的硅光芯片成为更佳选择。
图表 1：硅光芯片的优势与缺点
数据来源：公开资料、RimeData来觅数据整理
自上世界80年代发明以来，硅光芯片由于制备难度大的缺点，场景一直相对比较局限。但根据C114通信网消息，硅光芯片最近的突破性进展包括引入了在硅上制造有源光学元件的创新方法，并在几年内实现了量产，未来硅光技术进展有望加速。根据知名咨询机构Yole对市场数据的统计和预测，2022年全球硅光市场规模达到6,800万美元，受益于用于提升光纤网络容量的数据中心收发器的推动，预期2028年全球硅光市场规模将达到6亿美元，期间硅光芯片年复合增长率预估为44%。
图表 2：2022-2028E硅光芯片市场规模（单位：百万美元）
数据来源：Yole、RimeData来觅数据整理
硅光芯片中的光器件可以分为有源器件和无源器件。有源器件包括激光器、调制器和光电探测器；无源器件包括平面波导、光栅或边缘耦合器等。基于这些器件，可以构成光发射/接收芯片，并开展阵列化的应用，最终通过光子集成技术（PIC）来实现硅光芯片。硅光产业可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片和硅光模块。硅光器件包括光源、调制器、探测器、波导等，是实现各种功能的基本单元；硅光芯片是指将光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集成芯片（探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等若干基本器件进行单片集成；硅光模块是指进一步将光源、硅光器件/芯片、外部驱动电路等集成到一个模块，包括光收发模块、光接收模块和光收发一体模块等，是系统级的硅光产品形态。
图表 3：硅光芯片产业链
数据来源：21世纪电源网、RimeData来觅数据整理
业内认为，硅光芯片可以分为三个阶段：第一阶段为硅器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；第二阶段为集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像堆积木一样组合起来，集成不同的芯片；第三阶段为光电一体技术融合，实现光电全集成化。根据中科院半导体研究所的王启明院士介绍，目前硅光芯片技术正发展到第二阶段。硅光芯片要实现大规模应用，需要依托硅材料与不同种类光电材料的异质集成，以充分发挥各种材料的优异特性。
图表 4：硅光模块集成发展方案
数据来源：华中科技大学、RimeData来觅数据整理
国家政策不断鼓励硅光芯片发展。2017年11月28日，工信部正式批复同意武汉建设国家信息光电子创新中心，该中心由光迅科技、烽火通信、亨通光电等多家企业和研发机构共同参与建设，汇聚了国内信息光电子领域超过60%的创新资源，承载着解决我国信息光电子制造业“关键和共性技术协同研发”及“实现首次商业化”的战略任务，着力破解信息光电子“缺芯”的局面。工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。2023年11月，国家自然科学基金委员会提出，要资助CMOS兼容的硅光器件、接口及硅基三维集成工艺等。此外，2024年两会上，中科院微电子所研究员王宇建议，将硅光芯片产业发展明确列为政府支持范围，并鼓励企业、资本、人才聚集硅光芯片产业链，推动相关细分领域产业化。
在政策带动下，各地政府也纷纷入局。上海市明确提出发展光子芯片与器件，重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、给予CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。2018年10月，由重庆市政府重磅打造的国家级国际化新型研发机构联合微电子中心有限责任公司在重庆注册成立，首期投资超100亿元。2023年9月，湖北省人民政府提出搭建国际领先的硅光芯片创新平台，支持武汉新芯、国家信息光电子创新中心等单位建设国内首个12英寸商用硅光芯片创新平台。
目前硅光行业由海外公司主导。2024年2月22日在国际固态电路大会（ISSCC 2024）上，台积电正式公布了其用于高性能计算 （HPC）、人工智能芯片的全新封装平台。台积电的新封装技术通过硅光子技术，使用光纤替代传统I/O电路传输数据。而另一大特点是，使用异质芯片堆栈在IC基板上，采用混合键合来最大化I/O，这也使得运算芯片和HBM高带宽存储器可以安装在硅中介层上。这一封装技术将采用集成稳压器来处理供电的问题。
去年以来，台积电已频频传出布局硅光及CPO（光电共封装）的动向。2023年末有消息称，台积电正与博通、英伟达等大客户联手开发硅光及CPO光学元件等新品，最快2024年下半年开始迎来大单，2025年有望迈入放量产出阶段。业内分析称，高速资料传输目前仍采用可插拔光学元件，随着传输速度快速进展并进入800G时代、未来更将迎来1.6T至3.2T等更高传输速率，功率损耗及散热管理问题将会是最大难题。而半导体业界推出的解决方案，便是将硅光子光学元件及交换器ASIC，通过CPO封装技术整合为单一模组，此方案已开始获得微软、Meta等大厂认证并采用在新一代网路架构。2024年或将成为“硅光元年”。
投融动态
硅光芯片曾是阿里巴巴达摩院发布的2022年十大科技趋势之一，达摩院认为光电融合、硅光和硅电子取长补短将驱动算力持续提升，未来3年，硅光芯片将支撑大型数据中心的高速信息传输；未来5-10年，以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。目前全球硅光产业都处于比较初级的阶段，英特尔在该领域下注颇多，其2018年推出的100Gbit/S PSM4 QSFP28硅光模块累计出货量超300万支；目前英特尔、英伟达、思科、Acacia等国际巨头，以及国内的中际旭创、光迅科技等企业纷纷在硅光技术领域加码布局。AI芯片巨头英伟达持续关注硅光技术的发展，曾在2022年的OFC展示了使用密集波分复用CPO器件的目标，以及如何将硅光用作交叉连接机架的传输和机架的GPU计算引擎；英伟达参与了硅光厂商Ayar Labs的C轮&C1融资；台积电于2023年入局，并计划于2024年量产硅光芯片，2025年订单会集中爆发。
在当前中美科技竞争的背景下，国内企业开始测试并验证国内的硅光产品，寻求国产替代，以促进硅光芯片行业的自主化进程。当前部分中国光芯片企业已进行了一定的技术积累，如华为海思、阿里等已经率先采用新型硅光芯片进行研发和生产，如华为6G AI芯片、阿里云芯片等，尤其是部分初创企业的设计能力具备一定的全球市场认可度与竞争力。目前国内硅光芯片的参与者主要分为两大类：一类是传统光模块企业纵向布局，如中际旭创、剑桥科技等；另一类则是海外科技大厂技术人员回国创业，如光梓科技、赛勒科技等。硅光芯片在一级市场融资事件虽然不多，但融资金额普遍较大，也代表了资本对这一细分赛道的看好。
根据来觅PEVC数据，2023年以来，国内硅光芯片领域共发生10起融资案例，所涉融资阶段多处于中后期（B轮及以后），所涉融资金额较大，多在亿元及以上，资本正加速抢占这一赛道。硅光芯片的制造不完全依赖先进制程，更关注于波长尺度，其器件尺寸在数十纳米到数百纳米不等，成熟制程工艺亦可覆盖，卡脖子风险不大。硅光芯片的壁垒还包括客户认证，随着国内光通信领域的高歌猛进，硅光芯片有望伴随国内供应链一起成长。目前中国在硅光领域的发展还处于快速追赶阶段，但通过国际合作、跨境并购等手段正不断缩小与国际先进水平的差距，在不久后的将来，中国亦有可能成为硅光的重要竞争者和参与者。
图表 5：2023年-2024年2月国内硅光芯片领域融资情况
数据来源：RimeData来觅数据
展望
数据中心时代硅光模块迅猛增长或带动上游硅光芯片需求。云业务、云服务刺激数据中心的大规模建设也将直接带动光模块、光芯片需求的快速增长。随着多核处理器、内存需求和 I/O 带宽需求的持续增加导致链接和网络传输压力加大，同时带宽的升级也会带动功率的快速提升。作为下一代互联技术强有力的竞争者，光互连具有宽频段、抗电磁干扰、强保密性、低传输损耗、小功率等明显优于电互连的特点，是一种极具潜力的代替或补充电互连的方案。光互联在未来数据中心的占比将越来越大，硅光集成技术将充分发挥光互连的带宽优势。
图表 6：2020-2027E硅光模块市场规模（单位：亿美元）
数据来源：Light Counting、RimeData来觅数据整理
人工智能将成为硅光芯片爆发式增长的强劲动力。AIGC、超算中心以及远期XR（混合现实）商业化应用加速落地的背景下，算力基础设施的海量增长和升级换代将成为必然趋势。算力的成倍甚至是指数级增长下，催生高速率、大带宽的网络需求，光模块向更高速率演进，将有力推动硅光的技术升级和产业发展。此外，相干及CPO等具备高成本效益、高能效、低能耗的新技术也将成为高算力场景下合适的解决方案。根据IDC预测，2017-2021年全球超算市场规模复合增长率为12.2%。其中，全球和中国AI服务器市场规模将在2026年分别达到347.1亿美元和123.4亿美元，人工智能将成为硅光芯片产业实现爆发式增长的强劲动力。
图表 7：2018-2026E全球、中国AI服务器市场规模（单位：亿美元）
数据来源：IDC、RimeData来觅数据整理
目前国内10G及以下速率中低端光芯片供应已较为成熟，25G国产化率较低，而未来需求更大、用于200/400G高速光模块的50G及以上光芯片以国外进口为主，国产化率极低。随着人工智能、云计算等先进技术的发展，硅光芯片存在巨大的国产替代空间，国内相关企业在资本、政策、市场的支持下也将迎来飞速增长。
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