AI算力狂飆，硅光互連破局！ - asiasworldcity.hk

「香港飛龍」標誌

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2025年，全球AI大模型賽道硝煙瀰漫，以ChatGPT、Grok、DeepSeek和Gemini爲首的四大通用語言模型以前所未有的速度迭代，重塑着技術與商業格局。ChatGPT依託封閉的MoE（Mixture of Experts）架構構建出領先的多模態生態體系，其成熟的API服務體系已佔營收的70%，展現出極強的變現能力；Grok則以動態推理網絡爲核心，主打實時數據響應，並通過與X平臺深度捆綁實現商業化突破；DeepSeek以開源模型爲基礎，針對中文場景深度優化，廣泛部署於政企私有化系統中，快速拓展本地市場；Gemini則依託Google Pathways系統，具備強大的算力基座，且已深度集成至Workspace生態，打通了辦公與AI應用的邊界。在這場激烈的技術與生態競速背後，是AI巨頭們對算力的持續投入和對高速、低延遲數據交互的迫切需求。這種需求，正驅動着硅光互連技術以前所未有的速度向前發展。根據Yole Group的研究，預計到2029年，硅光集成芯片（PIC）市場規模將超過8.63億美元，在2023年至2029年期間的複合年增長率將達到45%。PIC市場預測（圖源：Yole Group）硅光技術廣泛的市場應用（圖源：Yole Group）硅光子技術持續快速發展，其多樣化的應用預示着未來巨大的機遇。4月23日至25日，在第三屆九峯山論壇暨化合物半導體產業博覽會上，“硅光”無疑成爲最受矚目的焦點之一。來自世界各地的與會專家學者、產業界人士紛紛聚焦這一前沿技術，探討其在應對AI時代算力挑戰中的關鍵作用與未來潛力。而更加欣喜的是，中國在硅光子學領域取得了顯著進步，併力爭成爲全球領先者。2025九峯山論壇嘉賓陣容強大業界共識：光互連在AI時代優勢盡顯“相較於傳統電互連方案，光互連在高速率、低延時和低功耗的長距離數據傳輸方面展現出無可比擬的優勢。”中國科學院半導體研究所助理研究員謝毓俊指出。海思光電子有限公司技術專家曹攀也表示，智算中心網絡中高速、大容量的光互聯是支撐大模型高效訓練的關鍵技術。他指出，EML（電吸收調製激光器）因其高帶寬、良好輸出功率、優異消光比、低驅動電壓、緊湊尺寸、低功耗和成本效益而成爲一種有前景的解決方案。海思光電通過優化芯片設計、器件封裝和創新的系統方案，使EML支持的單Lane速率從100Gbps提升至200Gbps。此外，海思光電子的高速EML激光器實現了高達110GHz的3dB帶寬，併成功實現了30km標準單模光纖傳輸。騰訊光網絡架構師封建勝聚焦於智算中心超大規模互連網絡對高質量、高帶寬和高效能性價比的需求。他指出，具備高性能、大餘量等優點的平層光互連技術可成爲質量更高、故障率更低的光互連解決方案。華工正源光子技術有限公司總經理胡長飛表示，如果將AI比作一箇人，GPU無疑是AI的“心臟”，LLM（大規模語言模型）則是AI的“大腦”，而數據是AI的“血液”。在這個類比中，光模塊便是AI的“動脈”，是確保數據在AI系統中高效流動的核心部件。光模塊不僅是AI的賦能者，它的作用日益凸顯，特別是在大規模計算和數據傳輸中，起到了至關重要的作用。在Spine-Leaf-TOR（Top of Rack）架構中，光互聯技術可以將GPU擴展到上萬甚至十萬卡的集羣。這種高速連接使得AI系統能夠在大規模計算中高效工作，爲高性能計算提供了強有力的支撐。華中科技大學三位資深學者對光通信與光計算領域的前沿趨勢有着深刻洞察。華中科技大學光學與電子信息學院黨委書記、未來技術學院執行院長唐明指出，光電融合集成有望結合光子學和電子學優勢，在低功耗和複雜度下實現高性能短距相干光傳輸，解決智算互連需求。華中科技大學教授鄧磊聚焦移動通信，認爲模擬光載射頻（A-RoF）技術因其高頻譜效率、低時延和簡化基站結構而受關注。華中科技大學教授董建績則認爲，光子計算憑藉高速、低延遲、低功耗和並行性，有望互補電子計算，突破算力和功耗瓶頸，並闡述了“黑盒式”物理訓練模型在可重構片上衍射神經網絡和大算力並行計算核心處理器中的應用，光模塊，邁向3.2T在當前的服務器和數據中心中，硅光技術通常是以各種類型的光模塊的形式存在的。華工正源總經理胡長飛指出，當前光模塊的主要技術路線包括DPO（Digital Optical Process）、LPO（Low Power Optical）、NPO（New Power Optical）和CPO（Co-Packaged Optics）。其中，基於DSP的DPO技術具備MPI檢測和迴環功能，便於故障排查。然而，並非所有應用場景都必須採用這些功能。相比之下，LPO和CPO則依賴ASIC芯片實現MPI檢測，且CPO因電氣通道更短，在功耗方面更具優勢。功耗差異是DPO、LPO和CPO光模塊之間顯著的區別。以1.6T DR8模塊爲例，DPO的功耗最高，約爲25W；LPO次之，約爲15W；而CPO的功耗相對最低，通常在10W左右，凸顯了CPO技術的節能潛力。共封裝光學技術已被業界視爲極具潛力的下一代光互連方案。值得關注的是，英偉達已在其InfiniBand和以太網交換機中採用了CPO技術，未來NVLink交換機是否跟進，成爲行業關注的焦點。更令人振奮的是，作爲全球排名前八的光模塊廠商，華工正源正積極研發3.2T CPO模塊，這一技術突破有望爲光通信領域帶來深遠的影響。騰訊光網絡架構師封建勝也分析了現有方案的優劣。他指出，在誤碼率方面，DSP方案表現最優，其次是LRO和LPO方案。因此，選擇合適的技術方案需要綜合考量多種因素。針對現有方案，他提出了以下改進建議：首先，採用平層光互聯技術以提高靈敏度點的誤碼率裕量；其次，需要硅光Foundry開發異質集成工藝，在硅光芯片中集成低噪聲SOA；最後，開發者應具備端到端的設計和仿真能力。在光模塊領域，集成硅光子（SiPh）模塊技術是一箇熱門的發展方向，它通過將多箇光學功能集成到單一的封裝中，顯著簡化了模塊的結構。與傳統設計相比，集成硅光模塊減少了約30%的零部件數量，從而降低了成本，提升了可靠性，並大幅提高了傳輸效率。同時，基於InP/GaAs化合物半導體的高速光芯片，成爲了高速連接的核心驅動。總的來說，光模塊的技術演進路徑清晰可見：逐漸從當前的單波長100G、400G、800G DR4/DR8技術，逐步發展至單波長200G、400G 3.2T DR8/2xFR4技術，以及共封裝（CPO）單波長100G、200G的MRM DR/FR Trx技術。硅光前路，並非坦途誠然，光學技術正展現出顛覆性的潛力，然而，如同硬幣的兩面，其發展道路並非坦途。衆多專家、學者與企業高管敏銳地洞察到硅光技術層面存在的諸多挑戰，並積極探索應對之策，爲行業未來的穩健發展注入思考。謝毓俊強調，當前光互連技術在帶寬密度、能耗效率和互連延時等方面仍存在瓶頸。突破這些瓶頸，亟需在新型光電子材料研發、光電子器件結構拓展、硅基異質異構集成、光電子與微電子深度協同以及高密度集成等技術路線上取得進展。唯有通過新材料與新方法的光電融合集成研究，方能爲下一代AI大模型等互連應用提供關鍵的技術支撐。中國科學院半導體研究所副所長薛春來聚焦於硅基光電子學對片上集成紅外發光及探測器件提出的更高要求。他指出，鍺與鍺錫材料因其與硅襯底的良好兼容性以及在紅外光區優越的光電性質而日益受到重視。然而，傳統的外延技術工藝溫度過高、材料質量不穩定，而基於此類材料的硅基Ⅳ族紅外探測器也面臨着製備工藝不成熟、性能不良等問題，制約了硅基光電子學的進一步發展。說到材料，蘇州工業園區納米產業技術研究院有限公司MEMSRIGH總經理、中國半導體行業協會MEMS分會祕書長蔡勇強調，在高速光通信與集成光子領域，薄膜鈮酸鋰（TFLN）憑藉其優異的電光特性已成爲新一代光子芯片的核心材料。作爲國內領先的MEMS代工廠，MEMS RIGHT採用Foundry模式加速TFLN技術產業化進程，通過輕資產運營、聚焦製造環節專業化分工和依託全流程服務能力，構建了從研發、中試到量產的完整MEMS生產鏈。蔡勇表示，MEMS RIGHT已實現大線寬模斑轉換器高速電光調製芯片的成功流片，並積極與產業鏈合作伙伴深度協同，共同推動薄膜鈮酸鋰技術的發展與應用，構建“技術研發－工藝驗證－規模量產”的產業閉環。中國科學院物理研究所研究員、中國科學院納米物理與器件重點實驗室主任張建軍也談到了硅基光電融合發展的瓶頸：缺少可單片集成的硅基激光器。他認爲，硅基直接外延生長InAs/GaAs量子點激光器是解決這一難題的關鍵路徑。張建軍團隊通過在硅圖形化襯底上構築具有孔洞的V型結構，有效克服了硅上生長GaAs所面臨的晶格失配、極性失配和熱失配等挑戰。在論壇報告中，他詳細介紹了其團隊在硅基直接外延生長高質量GaAs薄膜材料、硅基及SOI基InAs/GaAs量子點激光器、量子點激光器抗反射特性以及單片集成量子點激光器等方面的最新研究進展，並分享了他們在硅基GaSb材料外延方面的研究工作。這些成果爲實現高性能、低成本的硅基光互連芯片奠定了堅實的基礎。IMEC光子學研究組教授Wim BOGAERTS強調了可編程光子學在推動日益增長的光子集成電路（PIC）生態系統及其在各種不同領域應用擴展中的巨大潛力。他指出，PIC技術對於互聯網基礎設施、數據中心和先進人工智能應用的發展已經變得至關重要。IMEC光子學研究組教授BOGAERTS坦言，儘管強勁的市場需求促進了PIC製造量、成熟度和良率的提高，但PIC的商業應用仍然缺乏多樣性，實驗室演示轉化爲成功的商業產品仍然面臨諸多挑戰，其中一箇重要原因是PIC漫長且不成熟的開發週期。他呼籲業界共同努力，加速PIC的開發和商業化進程，以充分釋放其在傳感、儀器和信號處理等衆多領域的巨大潛力。鄧磊也指出，模擬光載射頻（A-RoF）技術也面臨着動態範圍受限、非線性損傷和信號保真度低等挑戰，其大規模部署應用需要芯片、模塊到系統的全鏈條創新。針對這些關鍵難題，鄧磊及其團隊開展了深入研究：他們構建了芯片、器件和系統各層級的A-RoF全鏈路模型，實現了高精度的線性與非線性誤差控制；攻克了多通道射頻光收發模塊封裝中的線性度、通道一致性和串擾等技術難題，並在五年內開發了三代四通道/八通道集成射頻光收發模塊，展現出卓越的性能指標；此外，他們還基於肖特基二極管構建了非線性預失真模塊，顯著提升了A-RoF鏈路的SFDR性能；並面向光生毫米波系統提出了相應的量化噪聲整形算法，成功實現了高保真度的30GHz、12Gbps毫米波傳輸。有挑戰，亦有成就儘管前路尚存挑戰，但硅光領域正以蓬勃的創新活力不斷取得令人矚目的成就，爲未來的信息基礎設施和新興應用注入強大的驅動力。北京摩爾芯光科技有限公司總監賈連希介紹了公司在基於硅光子技術的調頻連續波（FMCW）激光雷達領域的最新成果。他表示，近年來，硅光子FMCW激光雷達取得了長足的進展。摩爾芯光的FMCW激光雷達利用高度集成化的SoC芯片實現了FPGA替代，有效解決了FPGA架構中硬件設計複雜、功耗過高等技術挑戰。憑藉其原生的抗干擾能力，無論在各種天氣狀況下，FMCW激光雷達都能保持穩定的性能，有效避免鬼影和高反膨脹現象。薛春來團隊利用自行設計搭建的UHV-CVD系統，創新性地使用高活性Ge2H6與SnCl4氣體源，實現了高質量鍺與鍺錫材料的低溫高效穩定製備。基於硅上外延的p-Ge/i-GeSn/n-Ge結構，他們成功製備出全球首個硅基鍺錫320×256面陣，並實現了真實物體的短波紅外成像。通過不斷優化材料外延及器件製備工藝，其鍺錫器件在短波紅外光區實現了超越文獻報道水平的高響應度，性能已接近商用應變InGaAs探測器水平，爲硅基光電子學在紅外探測領域的應用打開了新的大門。爲滿足高容量數據中心和長途互連對緊湊且可擴展的光學放大解決方案的迫切需求，EDWATEC SA團隊成功利用低損耗氮化硅波導技術結合精確的鉺離子注入方法，克服了片上光學放大長期存在的限制。他們最新的EDWA設計實現了前所未有的小信號增益（超過30 dB），輸出功率高達200 mW，佔地面積小於5 mm2，與基於光纖的放大器相比，體積縮小了近千倍。此外，EDWATEC的鉺激光器還表現出卓越的性能，線寬窄至50 Hz，在C波段和L波段具有廣泛的可調諧性，並且能夠抵抗環境擾動。EDWATEC SA首席技術官兼聯合創始人Amir YOUSSEFI表示，這些進步不僅彌合了傳統光纖技術和半導體激光器之間的關鍵差距，而且爲衛星通信、深海光纖網絡和LiDAR系統等多箇領域開闢了新的機遇。總結此次九峯山論壇上關於硅光技術的深入探討，充分展現了這一前沿技術在應對AI大模型時代算力挑戰中的核心地位。從關鍵器件如硅基激光器的突破，到系統級的創新如模擬光載射頻和光電融合集成，再到新興應用如光子計算和硅光子激光雷達，中國乃至全球的科研機構和產業界都在積極探索硅光的無限潛力。可以預見，隨着AI技術的持續發展和對算力需求的不斷攀升，硅光互連技術將迎來更加廣闊的發展空間和更多的創新機遇，成爲支撐下一代信息基礎設施的關鍵力量。然而，正如與會專家所指出的，要實現硅光技術的大規模應用，仍需在材料、工藝、設計和生態建設等方面持續投入和創新，攻克現有瓶頸，最終實現高性能、低成本、高可靠性的光互連解決方案，賦能AI時代的蓬勃發展。半導體精品公衆號推薦專注半導體領域更多原創內容關注全球半導體產業動向與趨勢*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4018期內容，歡迎關注。『半導體第一垂直媒體』實時專業原創深度公衆號ID：icbank喜歡我們的內容就點“在看”分享給小夥伴哦

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