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訊石專訪:硅光不止是未來,硅光已來!

摘要:硅光在高速通信、智能傳感(激光雷達)、健康醫療、消費電子、微波光子等領域都有廣泛的應用潛力。在通信領域,終端用戶最關注的,性能達標和質量可靠性滿足要求的前提下,仍然是性價比。通過比較硅光技術與分立器件的成本變化曲線,可以明確在400Gbps開始,硅光開始具備競爭優勢。

  ICC訊 近年來,硅光集成技術,無論是面向光通信,還是光計算、光 I/O 和各種傳感等前沿應用,一直受到熱捧并得到大量投資?;ヂ摼W和通信行業的巨頭們預測,硅光將是剛需的技術并將很快變得無處不在,而專業的硅光企業正在通過快速研發迭代并開拓新的應用場景。那么,我們能期待這一預測很快實現嗎?

  近期光通信、光電子行業流傳著一篇《關于硅光的深度思考》的文章,其中對于硅光技術和應用的爭議性表述引發了眾多光通信從業者的質疑。對此,訊石光通訊網采訪了一位硅光領域專家,就這篇文章中的內容進行了交流,并針對硅光技術的特點和行業發展趨勢進行了探討。

  以下是問答環節,圖片內容截取自《關于硅光的深度思考》文章:

  一、 “硅光的困難”篇幾個明顯的錯誤

  Q1:硅光行業普遍認為光源集成是硅光子技術產業發展的最大挑戰,這個問題在當下有了怎樣的解決方案和發展?

以上為原文部分截取

  回答:需不需要片上硅基光源,答案是市場和用戶是否需要,是否給客戶帶來價值。目前絕大多數硅光模塊的應用場景用外置光源封裝的方法已經能夠滿足要求,在400G及以上光模塊,采用外置光源的硅光模塊整體成本與目前的分立器件封裝方案相比已經具備了成本優勢,具體數據由于每家模塊公司供應鏈的議價能力差別因此兩類方案在每家的價格差不同,供應鏈管理能力強的,硅光的優勢會稍微弱一點。另一方面,越頭部的光模塊廠家在硅光上反而投入也更大。

  至于能不能把光源集成到片上,這個不是世紀科學難題,只要市場的驅動足夠,這樣的工程問題都可以得到解決。Intel已經給出了一種解決方案,并且發貨了800萬支以上。但是Intel今年11月仍然把光模塊制造轉給了Jabil??梢越o出幾個結論:

  (1)硅基光源從商業上不是硅光技術獲得批量應用的阻礙,而且技術上是可實現的,學術界和工業界仍在持續研究;

  (2)現有的外置光源方案已經讓硅光具備競爭力,現階段采用片上硅基光源做產品未必能帶來直接的巨大市場價值,像很多場景反而需要外置的光源池;

  Q2:調制速率是提升光通信速率的關鍵,而行業在硅光調制器技術上的研究和應用,目前可以做到怎樣的水平?如何看待文章提到的硅光調制速率只有“調制速率五六十G”?


  以上為原文部分截取

  回答:首先,硅光調制器沒那么好做,MZ調制器需要綜合平衡帶寬、調制效率、插損和消光比等,是硅光集成芯片中最關鍵的器件之一;微環調制器因為溫度和工藝容差小,需要復雜的外部控制所以正在努力產品化。準確的說法是,100Gbps硅光調制器已經成熟,但不是《關于硅光的深度思考》一文中所寫的“調制速率五六十G”,該文既然寫了調制速率,那么G應該是要表達是Gbps的意思。目前硅光產品完全支持單波100Gbps,對應產品400G DR4、400G FR4、800G DR8和800G (2×400G FR4)等,注意這里寫的是產品,已經不是停留在技術。至于單波200Gbps,對于硅光來說有一定難度,不是無能為力,和高速電芯片配合能夠實現。硅光模塊產品以400G DR4和800G DR8為例,應用的是行業內已經普遍供應的70mW的CW光源,不意味著特別強大的光源和散熱機制。

  Q3:關于硅光耦合器的說法,行業是如何認識硅光的波導耦合?


以上為原文部分截取

  回答:文章提到 “硅光波導的模斑尺寸比較小,只有0.5μm,這么大的模斑耦合9μm光纖的光纖芯,逃不過復雜的耦合過程和巨大的耦合效率的損失”,這個說法是巨大的錯誤!一般硅光的波導截面尺寸是450nm×220nm,這不代表模斑尺寸是0.5μm。如果還是0.5μm對9μm,那硅光技術連做產品的機會都沒有,耦合器也是硅光芯片這些年中獲得重點突破的技術點之一。目前技術領先的硅光公司已經可以做到不論是激光器-硅光芯片還是硅光芯片-光纖的耦合,模斑都可以接近9μm的光纖模斑尺寸,實現約1dB甚至<1dB的耦合損耗,完全滿足了硅光模塊產品的需求。

  Q4:關于硅光的波分復用和成本控制?

  回答:波分復用器沒有文章作者輕描淡描述的那么好做,到目前為止只有極個別的公司和特色硅光技術能提供在片上與高響應度PD集成的Demux,這里牽涉到相位噪聲和工藝控制難題;相對來說發送端的MUX好做一些,這也是CWDM4和FR4發送集成芯片產品化進程更快的重要原因。

  此外,文章提到“成本,依然無法解決”,文章作者可以與模塊廠商核實驗證,拆解一下成本構成。

  二、硅光的定義和路徑認識的誤解

  Q:硅光的定義和路徑認識?


以上為原文部分截取

  回答:文章提到硅光元件盡可能在硅片上集成才能獲得更多的成本優勢,這句話是合理的。但文章的結論又鼓勵硅光公司去做單器件,這個邏輯難以理解。從硅光芯片的基本概念、技術特性以及用戶價值任何一點出發,硅光從來都不是要“硅化”一兩個元件,硅光的確切定義是利用大規模集成電路工藝平臺,將光電子器件在硅基襯底上實現并規?;?,實現通信、互連、傳感等功能。

  硅光從技術研發的角度也不是從實現一兩個硅器件開始,因為硅光的底層價值就來源于集成,用硅去做一兩個器件與分立器件競爭是不劃算的,曾有兩家企業這么做,但是發展一直很困難。硅光產品曾獲得批量供貨的企業,包括Intel的數通產品、Acaica的相干產品、Luxtera的數通產品、Mellanox的超算AOC產品,無一不是功能化集成的產物。因此硅光的路徑一定是集成,集成才能帶來競爭力。

  該文章提到了“大多數硅光公司的模式是先做幾個元件的硅片化和集成化,也是業界的普遍想法”,恰恰相反,這并不是業界的普遍想法,當然集成度也是有發展曲線,硅光的技術路線上是規?;墓δ芄饧勺鳛槠瘘c、光芯片的大規模高密度集成、光電3D集成或單片集成,在產品上則是市場需求和技術發展之間的動態平衡。

以上為原文部分截取

  關于硅光模塊要比分立光模塊成本降到40%才有機會獲得入場券的說法,實在是文章的臆想。按照該文的邏輯,光模塊每年10%-15%的降價幅度,分立封裝方案的光模塊在持續調整價格,硅光卻只能靜態的被動等待,這個比較的邏輯在哪里?

  殊不知,硅光作為集成電路產品,規模制造的優勢就是量越大、成本越低,在當前硅光規模還不夠大的情況下,已經與分立器件模塊方案有競爭優勢,后續上量后,跟隨成本優化的節奏會表現更好,這本身就是集成電路行業的魅力所在。至于作者自己假想的無意義的假設,什么硅光要等到分立光模塊降到平臺期再去競爭也沒競爭力,更是莫名其妙。硅光產生優勢的正是高速的光模塊應用,而硅光在高速領域大量應用獲得批量的優勢后,反而存在到相對低速和消費級互連領域獲得降維打擊能力的可能性。

  三、文章提出的七個問題引起誤導

  《關于硅光的深度思考》一文還提到了硅光技術的合格率、損耗和散熱、多能工和需要開發所有電芯片、“螃蟹效應”、電芯片的差異與成本、DSP和產品迭代與NRE七個問題,專家也針對性做出了不同意見。

  Q1:關于合格率


以上為原文部分截取

  回答:硅光集成芯片的關鍵器件大約二十幾種,硅光工藝通常被認為是集成電路工藝的特色工藝,有很多難點,但是不算集成電路中強烈依賴先進設備和制程的3nm/2nm的高精尖難題。文章里對合格率的憂慮是多余的,集成電路技術現在能集成百億個元件,硅光芯片現在多數產品只需集成上百個元件,良率不是制約硅光成本的問題,與分立器件方案相比反而是優勢所在。當7nm/5nm工藝可以達到90%以上良率的時候,懷疑與集成電路130nm/90nm/45nm工藝兼容的硅光芯片合格率低下,邏輯是不通的。

  Q2:關于損耗和散熱


以上為原文部分截取

  回答:與分立器件相比,硅光集成的優勢在于集成的元件多了,但是損耗并沒有變大很多。因為硅光中90%以上器件為無源器件,單個損耗可以做到<0.1dB,通過與氮化硅等多種材料集成可以做到更低。不存在器件因組裝數量規模增加,熱脹冷縮導致的光路錯位問題。集成度的提高,會有助于三溫的可靠性和穩定性。

  通過集成數百上千器件,硅光提供了在更多通道數量,更多復用維度對光進行操控的能力,而無需考慮熱脹冷縮引發的良率、可靠性等問題。當前的硅光芯片能夠集成上千個器件,這是分立元件技術所難以想象的,而硅光計算應用的集成規模更是達到數萬個器件。

  硅光的損耗主要來源于調制和耦合。作者提到coherent的報告,800G DR8損耗累計15.9dB,其技術方案是1個激光器同時支持4路輸出,如果要對比,對標的也應該是分立方案的4個獨立激光器對應的封裝成本和良率。當前業界甚至已經可以做到在類似損耗下1個激光器同時支持8路輸出的硅光方案。

  Q3: 關于硅光公司的多能工和需要開發所有電芯片?


以上為原文部分截取

  回答:硅光企業的基本功就是要把組成硅光集成芯片的這些高性能組件全部做好,這不是多能公司,是產品型硅光企業的基本要求。如果一些關鍵器件做不到預期性能,不是說明硅光要求所謂“多能”的不合理,而是這家企業的能力不夠。

  原文里講到“不僅要開發OSA內的所有元件,還要開發所有電芯片。雖然多數電芯片都比較容易,” 這個說法有點觸及認知的底線,首先硅光公司不需要開發所有電芯片,光芯片和高速模擬芯片甚至是兩個行業,其次,多數電芯片都比較容易這句話是非常離譜的,高速模擬芯片需要多年的設計積累和對工藝的理解才有可能做到產品階段。

以上為原文部分截取

  每個元件都開發一遍也是錯誤的認識,不同的技術節點,是關鍵元件的迭代,而不是每個元件的迭代。90%以上的元件一次開發成功,可以多次重復利用,并在迭代中優化,現在成熟的硅光生態保障迭代時間相當可控。另外從商業邏輯來講,任何產品都應該早早的做好準備等著測試窗口或者客戶的驗證窗口的開放,邏輯關系不是“除非”,提前做好準備等待機會這件事在任何行業都是基本要求。

  Q4:關于“螃蟹效應”?


以上為原文部分截取

  回答:這里有一個基本的認識問題,知識產權保護是普遍性的各行各業對創新者的鼓勵,硅光公司絕對不是利用專利互相制造障礙的特例,這是高科技行業的普遍做法。另外更重要的一件事情是,小學數學題都有很多解題方法,技術和產品的實現也從來都不是獨木橋,拿低損耗耦合這件事來說:A可以用多層材料實現高效率耦合,B可以掏空襯底,C可以工藝改進精準控制材料的厚度,D可以在端面鍍膜,大家都有機會做到高性能且滿足可靠性要求。因此,我們可以有很多種方法來解決同一問題。不會低水平的纏繞在一起,互相拖著不能進步。

  Q5:關于電芯片的差異與成本


以上為原文部分截取

  回答:光模塊行業的細分是包括光芯片企業、高速模擬芯片企業和DSP芯片企業等,也有個別的硅光公司既做光也做模擬電路進行光電集成。按照作者的行文邏輯,這里電芯片應該指的是高速模擬電路芯片?,F在行業內頭部企業如Marvell、Broadcom、Macom等都能夠提供支持硅光芯片或分立器件的高速電芯片,這個環節不是硅光企業解決的,也不是硅光模塊和分立器件模塊成本差別的主要來源。硅光的電芯片的成本更高是荒謬無稽之談。

  另外再糾正幾個基本常識錯誤:(1)不止分立器件的電芯片是大批量生產的,硅光芯片配套的電芯片也是大批量生產的,與分立器件電芯片采用的是完全相同的工藝、不同的產品而已。(2)集成電路行業的專業術語叫“制程”或者“工藝節點”,不叫“線程”。

  文章提到“而我們硅光做這些芯片,45nm線程和6寸片是常用的”,事實上45nm制程一般都是在12寸平臺,跟6寸片風馬牛不相及。

  硅光不論是光芯片還是配套電芯片,都會用8英寸以上的晶圓,不存在與分立器件電芯片相比“得片數更低、成本更高?!钡湫偷腻e誤的起點得到錯誤的結論。

  Q6:關于DSP


以上為原文部分截取

  回答:第一,目前,硅光芯片和分立器件方案均需要DSP,沒有“做不了DSP就意味著硅光集成的電芯片難產”這個專門針對硅光的說法。其次,硅光公司與研制DSP不需要劃等號,DSP是另外一個燒錢的領域。DSP供應商已經大量商用配套硅光的DSP芯片。面向硅光的DSP(目前主流的是集成了Driver和TIA功能的直驅DSP)早就規?;?,甚至支持單波200Gbps的都已經推出來了。

  最后,如果作者用“DSP”和“非DSP”想表達的是采用DSP或者Driver/TIA,那么 “非DSP”并不好設計制造,如前文所述,目前我們國內甚至都還缺乏高速GeSi量產工藝平臺,因此這些“非DSP”首先要依靠國外平臺,還要具備多年的產品經驗積累,非常有挑戰性,完全不是“比較好設計制造”。

  Q7:關于產品迭代與NRE

以上為原文部分截取

  回答:文章提到的重新設計、重新制造的問題,這不是雪上加霜,任何芯片行業開發新產品都需要重新設計和制造,迭代難度取決于前代技術產品能有多少為下一代所用。對于光模塊來說,技術代或者技術平臺通常會用單波速率來表示,例如單波100Gbps則對應100Gbps和400Gbps(4×100Gbps)等,包括不同距離的DR和FR等場景。在同一個技術代,組成硅光芯片的主要器件的復用率可以達到近90%,不同的技術代,例如單波100Gbps到單波200Gbps,主要器件的復用率也能達到70%以上。

  對于新品來說,設計改動不意味著加工工藝的變更。Fab提供的一個工藝平臺,可以支持許多產品,不同的掩膜對應不同的產品,但工藝其實是相同的。支持分立元件的IC和支持硅光的IC是2個產品,2個設計,但是是用一套工藝加工出來的。至于NRE費用,工藝平臺不做變更也并不需要重復支付,付出的固定成本是掩膜的成本。

  Q8:這個七個問題之后,硅光專家對文章做出的結論也進行了評價。


以上為原文部分截取

  回答:與文章總結觀點恰恰相反,硅光技術和工藝能力在過去幾年來的發展速度非???,不論是來自客戶端的明確需求,還是Fab的強力支持,400G和800G硅光模塊產品和供應鏈都已經完全成熟。目前國際上幾乎所有的Fab,包括TSMC、Global Foundry、UMC、Tower Jazz、SMIC、ST等都能夠提供硅光研發和流片服務,硅光的各類測試設備也都已經出現了專業的供應商。什么后臺很硬的Intel這種江湖論調,什么命數,硅光的機遇不是文章提到的這些點,而正是客戶需求和成本契合這一拐點的出現。

  四、剩余部分的認識誤區


以上為原文部分截取

  回答:分立器件光模塊沒有在1.6T上難產,EML的8×200Gbps方案已經被驗證完全可行。在很長一段時間內,硅光和EML也都將會并存。

以上為原文部分截取

  回答:對于單波200Gbps,65GHz以上是夠用的,作者不用擔心110G能不能量產的問題。前面解釋過單波200Gbps的問題,這里不再重復。

以上為原文部分截取

  回答:關于LPO技術,它的出發點是為了滿足高帶寬密度互連對功耗和延時的極致要求,當然也帶來去掉DSP的成本優化的可能,但是目前行業還處在驗證的階段,還未批量應用。硅光技術用于LPO的競爭力來源于硅光芯片能夠提供足夠的帶寬,更重要的是MZ調制器線性度比較高,相比于電吸收調制器有天然的優勢,所以目前LPO光模塊以硅光方案為主,不是作者認為的理由。

以上為原文部分截取

  回答:Foundry-design house模式是集成電路這一極致高效的制造業發展出來的細分模式,它最關鍵的商業原則就在于Foundry要嚴格保護客戶的設計和知識產權,如果Foundry這一點都做不到,這個Foundry就不用干了,Nvidia和Broadcom也要天天擔心自己的核心設計被Foundry作為公開的IP被公布出去了。在這個模式里,代工廠和設計公司分工合作,滿足市場需求。

  代工廠的護城河很深,設計公司的護城河也同樣很深。隨著速率和集成度的提高,芯片的系統級設計愈來愈重要,這不是抄襲1、2個器件可以實現的。代工廠將設計公司的IP擅自歸入PDK,推薦給其它客戶,既違背了代工廠的法律義務,也不符合代工廠的長期商業利益。

以上為原文部分截取

  回答:作者給出了硅光的發展方向和條件,不得不說都不算是好主意。貿易戰和政治因素帶來的不是正面優勢,而是負面,真正有能力的硅光公司是敢于面對國際競爭的,硅光行業是全球競爭的行業,不是靠國內保護生存。供應的問題前面已經講過了。硅光公司不做集成,做單器件?作者跟前面有點自相矛盾了,我們在前面也對此做了充分的分析。

  五、總結

  前述在討論的過程中,對硅光集成的定義、發展和特征進行了不同程度的解釋,不再大篇幅闡述,這里對硅光的產業發展狀況再稍作補充:

  硅光在高速通信、智能傳感(激光雷達)、健康醫療、消費電子、微波光子等領域都有廣泛的應用潛力。在過去二十年間,硅光技術完成了各種關鍵技術和工藝的突破,但是當下的產業應用仍然集中在數據中心和電信等高速通信領域。硅光傳感技術的逐步成熟和需求的快速增長,將為硅光的市場帶來更多的機會,激光雷達在自動駕駛、工業應用和機器人等領域都有潛在的應用可能,車載激光雷達面臨各種方案不收斂的局面,到2025年有望看到一些確定性的機會。Rockley作為健康醫療的代表性企業,過去2年波折不斷,但是這一領域仍然潛力巨大,具體成熟的時間有待觀察。

  在通信領域,終端用戶最關注的,性能達標和質量可靠性滿足要求的前提下,仍然是性價比。在近10年前,Intel、Cisco(收購Lightwire-Luxtera-Acacia)和Nvidia(收購Mellanox-收購Kotura)分別在100Gbps領域獲得了產品的量產出貨,都是在特定場景獲得了局部優勢,例如Intel的大量投入,Acacia的硅光相干集成+DSP以及Mellanox的IB標準等。屬于英雄造的片段時勢,不完全是商業規律的產物,因此會出現反復和波折。通過比較硅光技術與分立器件的成本變化曲線,可以明確在400Gbps開始,硅光開始具備競爭優勢。國內光模塊公司占據了全球市場的大半壁江山,頭部的光模塊企業通過自研硅光芯片或與專業硅光芯片企業合作都已經推出了400G/800G的硅光模塊產品。

  到2023年,AI的快速牽引引起 800G提前大量布局,面向海外用戶的光模塊廠家都開始布局和驗證硅光模塊以應對接下來的激烈競爭,以及利用集成電路的充足供應來應對高速化合物半導體光電子芯片的短缺;國內的云用戶則從400G就開始布局硅光集成模塊,充分發揮硅光集成的成本優勢。預期未來的3-5年,在單模領域,硅光與InP技術將會在市場上展開競爭,甚至硅光集成有機會在超短距上從多模方案中占據一定份額。而在相干領域,硅光則將占據更高的份額,同時混合集成了薄膜鈮酸鋰的硅光相干芯片將成為下一代的理想選擇。根據Lightcounting在2023年的預測及與模塊商的交流,未來幾年的增量大概率被硅光模塊占據。集成電路規模集成帶來的制造成本優勢疊加市場份額擴大的正向循環,將有助于硅光逐步獲得更高的份額,2024年將是這一局面的開端。

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