三十年沉浮,曙光已现,硅光技术的发展与思考 | 苹果π【01期】

编者按:【苹果π】是中科院创投行研团队推出的栏目,我们将从产业发展和本钱驱动的视角对前沿技术变化、企业创新和产业生态进行系统性思考,探索未来科技发展的挑战与机会,为价值投资提供路线指引,为产业转型升级提供智力支持。本文对硅光的产业概况、驱动因素、应用场景、发展生态等方面进行了解读,作为【硅光产业研究系列】的第一篇,期能起到抛砖引玉之效。

硅光的概念早在20世纪90年代初便已被提出,但相较于集成电路的成熟发展和规模化应用,其在诞生之后的30多年里发展一直相对缓慢,产业生态系统尚不成熟。究其核心原因,在于尚没有巨大的应用场景驱动。随着云计算、大数据、人工智能的快速发展,社会对于信息获取与处理效率的需求持续攀升,但摩尔定律失效在即,硅光技术正凭借其在高通量、高能效比、超低延迟、低成本等方面的突出优势,成为确定性的技术发展趋势。

核心观点:

  • 目前,硅光产业正处于前期扩张阶段,在光通信尤其是数通短距场景已取得局部商业成功,正在逐步拓展至光传感、光计算等新兴应用领域;
  • 片间光互连、片上光互连将是算力提升标的目的最先商业化成功的应用;
  • 硅光工艺领域,光电封装或将是发展最快的赛道,而共封装光学(CPO)是最值得关注的技术标的目的;
  • 硅光产业的基础是硅光生态,若要鞭策万亿产业市场的落地,不仅需要应用侧的拉动,更需要底层生态的建设,尤其是工艺平台的建设至关重要。

一、硅光产业综述

硅光技术是以硅和硅基衬底材(如SiGe/Si、SOI等)作为光学介质,通过互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件(包罗硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等),并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理,以实现其在光通信、光传感、光计算等领域中的实际应用。 

如20世纪70年代的微电子技术一般,硅光产业正处于前期扩张阶段,未来更是有望成为媲美集成电路庞大规模的产业,拉动万亿市场。正因如此,诸如Intel、IBM、Oracle、中兴通讯等著名的半导体企业和信息技术企业,正投入大量的人力和财力推进硅光的产业化。这其中的标识表记标帜性事件,便是注重规模效应的晶圆代工公司GlobalFoundries(格罗方德,业内简称“格芯”)于本年3月份推出了硅光子平台Fotonix,以此布局90WG和45CLO工艺节点以及封装工艺,平台合作伙伴包罗4家顶级光子收发器供应商中的3家、5家顶级网络公司中的4家、4家领先的EDA和仿真公司中的3家,以及一些最有前途的基于光子学的初创公司。 

在需求与资源投入的双重驱动之下,近几年硅光产业呈现高速增长态势,按照知名半导体分析机构Yole的预测,硅光市场将从2020年的约0.87亿美元增长到2025年的约11亿美元,复合年增长率达49%。目前,硅光在光通信尤其是数通短距场景已取得局部商业成功,正在逐步拓展至光传感、光计算等新兴应用领域,尤其是光传感领域的可穿戴健康监测芯片,随着健康监测版本Apple Watch的发布,硅光将陆续打开市场局面并保持高速增长。 

数据来源:Silicon Photonics 2021 report,Yole

二、硅光的应用场景

光通信领域——硅光芯片的主要应用场景。目前,产业内已基本建立了面向数据中心、光纤传输、5G承载网、光接入等市场的系列硅光通信产品解决方案,其中数据中心光通信是硅光的最大市场,微软的内部数据中心互连有超过40%是基于硅光芯片实现。 

数据中心场景下,CSP和云提供商(诸如Facebook、Apple、腾讯等)正转向大规模数据中心,Capex支出持续提升以支持客户的高带宽需求,通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代,并且迭代周期持续缩短。在此背景下,传统的可插拔光模块在性价比及功耗方面已然“捉襟见肘”,而高集成高速硅光芯片由于在潜在降价空间与功耗方面有明显优势,则成为更优越的选项。市场的选择是最好的证明,目前100G硅光模块已局部商业成功,虽然400G、800G硅光模块渗透率不会有显著增长,但业内的共识是通信速率至1.6T阶段硅光模块应用将明显起量。当然,尚需关注硅光技术尤其是CPO封装技术的发展所带来的性价比提升程度。 

此外,在5G承载网市场中,5G前传(电信侧光模块)是硅光技术的又一市场增长点, Intel已针对5G前传发布具有扩展工作温度范围的100G收发器,支持在-40℃~85℃的工作温度范围内通过单模光纤实现10km链路。 

虽然渗透率的节奏很难有明确判断,但硅光趋势的确定性毋庸置疑。Intel作为硅光领域的带头企业,已然抢占硅光通信40%以上的市场份额;Cisco、Marvell、Broadcom等通信光模块头部企业则基于并购模式布局硅光模块业务;国内企业中,华为(海思)、海信宽带(Hisense)、旭创科技(Innolignt)、亨通光电、光迅科技(Accelink)等光模块厂商陆续推出硅光通信模块,旭创科技成立硅光业务事业部并且发展迅速,亨通光电则与英国洛克利公司(Rockley Photonics)合资成立“亨通洛克利”来布局硅光产品。此外,诸如熹联光芯、赛勒光电、羲禾科技、雨数光科等大批创业企业也纷纷涌入硅光赛道,但目前尚待高速率通信应用市场成熟,尤其是1.6T等更高速率光模块市场高速发展。 

光传感领域——应用场景众多且迭代迅速,硅光发展潜力巨大。现阶段来看,面向自动驾驶的激光雷达硅光芯片以及面向消费者健康监测及诊断的硅光芯片将是重要增长点。 

自动驾驶已然是国际公认的未来发展的重点标的目的之一,而基于激光雷达的自动驾驶方案生态更为完善,本质在于冗余设计至关重要,且激光雷达可以感知长尾问题,但性价比与车规要求限制了激光雷达的车载应用节奏。经过市场筛选,基于硅光的OPA+FMCW方案的全固态激光雷达(LiDAR),成为了学术界与产业界皆公认的终局方案,市场潜力巨大。正因如此,目前国内的洛微科技、摩尔芯光等基于硅光的激光雷达创业企业,备受本钱青睐。 

在生物传感领域,硅光集成方案逐步在多个场景落地,譬如Surfix基于硅光集成方案实现快速高精度核酸检测、Aryballe开发出微型硅光子人造鼻以此识别气味“指纹”等等,而目前公认最有市场前景的当属可穿戴设备。 

据悉,2022年或2023年,Apple与英国洛克利公司(Rockley Photonics)将合作推出集成了片上光谱仪的Apple Watch。此外,Amazon、Microsoft、Facebook、Google、腾讯等纷纷入局,国内也涌现许多片上光谱仪创业企业,如与光科技、求是光谱等等。Yole判断,随着健康监测版本Apple Watch的发布,用于健康监测的光传感芯片市场将保持高速增长。未来,硅光生物传感芯片也可广泛应用于低成本、小尺寸的医疗设备,并有望在2026年超过硅光通信的市场规模。 

随着摩尔定律的失效,光计算与硅光概念同时被关注。 目前电子计算面临存算、I/O、功耗三大瓶颈问题,逐渐难以满足超高速、低延迟的海量数据处理需求,光计算基于光子作为玻色子在传输方面的天然优势与多维信息处理优势,成为下一代计算范式的抱负选择,而硅光集成则是光计算商业化落地的 基本前提。 

目前备受关注的光计算细分标的目的主要为基于硅光的神经网络AI处理器芯片与光互连,需要说明的是,光互连虽然基于光通信原理,但解决的是光计算I/O问题,故暂且将其归于光计算领域。受限于计算规模、计算精度及算法生态等方面的限制,光电融合计算仍是主要计算方案,但也尚未产业化应用。 

短期内, 片间光互连、片上光互连将是算力提升标的目的最先商业化成功的应用。目前,Intel数据中心已采用片间光互连提高计算效能, NVIDIA也将与Ayar Labs合作将光学I/O应用于AI/HPC架构。Ayar Lab是光互连赛道的主要创业公司,持续融资已超过2亿美元,B轮估值为11.375亿美元,C轮估值估计已超过20亿美元,投资方包罗Intel、NVIDIA、Global Foundries等。据悉,光计算创业企业曦智科技也将推出光互连相关产品。 

此外,光量子计算本质也属于光计算范畴,但光量子计算落地周期乐观预计仍需5~10年摆布,短期内无法拉动硅光产业的发展。 

三、硅光的发展生态

数据来源:Silicon Photonics 2021 report,Yole

硅光产业是大势所趋,应用场景侧的市场空间潜力令人激动,但回归制造业本质,硅光产业的基础是硅光生态,若要鞭策万亿产业市场的落地,不仅需要应用侧的拉动,更需要底层工艺生态的建设。 

目前硅光产业面临的关键问题,在于工艺平台尚不成熟、硅基有源器件难以实现以及纳米尺寸硅光技术路径尚未收敛等等,尤其是工艺平台的建设至关重要。

以集成电路产业的发展历史为对照,其各个重要里程碑节点始终伴随半导体工艺的优化发展。因此,布局硅光工艺平台是硅光应用持续渗透的关键。广义的硅光工艺平台包罗设计工具、加工、封装等工艺全链路。工艺生态的建设将是产业发展的长期目标,譬如硅光设计工具尚未统一、半导体CMOS工艺无法支撑大规模集成、硅光芯片差异化设计增加工艺监测与优化难度等问题,都需要更多资源投入。 

我国目前已布局多条工艺与量产产线,主要为中科院微电子所硅光工艺平台、中科院微系统所硅光工艺平台、重庆联合微电子中心,此外商业化晶圆代工厂譬如燕东、中芯国际也已在布局硅光工艺研发,加速硅光量产进程。 

我们判断,光电封装或将是发展最快的赛道,而 共封装光学(CPO)是最值得关注的技术标的目的。按照国外市场调研机构CIR的数据,到2027年,共封装光学(CPO)市场收入将达到54亿美元。 

纵观硅光产业生态,从工艺到应用,在Intel、Cisco、Juniper等领军企业的持续大力投入之下,硅光全产业链不竭完善,技术标准相继形成,已逐渐从学术研究驱动转变为市场需求驱动的良性循环。在学术界、产业界的大力鞭策布局之下,硅光将有望在未来20~30年发展成为媲美集成电路的庞大产业。就国内而言,尚需投入更多资源布局底层工艺生态,并扶持硅光设计公司开拓应用,以期在硅光赛道构建竞争优势,实现芯片领域的弯道超车。 

作者:李娜 

高级分析师,专注光子产业研究

“中科院创投”(ID:CASVENTURECAPITAL),经。

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