硅光子芯片市場競爭白熱化，我國硅光發(fā)展與發(fā)達(dá)國家仍存在差距
縱觀芯片發(fā)展的歷史，總是離不開一個人們耳熟能詳?shù)母拍睢澳柖伞啊＜矗杭呻娐飞峡梢匀菁{的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。但是隨著芯片制程的不斷進步，單個元器件越來越小，逐漸逼近物理極限，摩爾定律似乎不太好用了，芯片內(nèi)部的互連線所引起的各種微觀效應(yīng)成為影響芯片性能的重要因素，而芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一，就好比我們的公路，當(dāng)?shù)缆返膶挾戎饾u逼近上面行駛的汽車，就會越來越難以在上面行駛。當(dāng)芯片越做越小時，互聯(lián)線也需要越來越細(xì)，互連線間距縮小，電子元件之間引起的各種量子效應(yīng)也會越來越影響電路的性能。
01什么是硅光子芯片
那么，到底什么是硅光子芯片呢？顧名思義，硅光子芯片就是利用硅光技術(shù)實現(xiàn)的一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備。被業(yè)界認(rèn)為是延續(xù)摩爾定律發(fā)展的技術(shù)之一。常見的互連線材料諸如鋁、銅、碳納米管等，而這些材質(zhì)的互連線無疑都會遇到物理極限，而光互連則不然。硅光子技術(shù)采用的基礎(chǔ)材料是玻璃。由于光對于玻璃來說是透明的，不會發(fā)生干擾現(xiàn)象，因此理論上可以通過在玻璃中集成光波導(dǎo)通路來傳輸信號，很適合于計算機內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。在光互連中，最大的優(yōu)勢就是其超高速的傳輸速度，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。但是，作為下一代的半導(dǎo)體技術(shù)，其技術(shù)本身的起步已很早就開始了。早在上世紀(jì)九十年代，就提出了有關(guān)的一些概念，是為了在芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。21世紀(jì)初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(gòu)就開始重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。
目前來看，硅光芯片主要有三大優(yōu)勢：集成度高、成本下降潛力大、波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異。
首先，對于硅光芯片來說，其襯底依舊是目前最成熟的硅，但是芯片間的互連采用更加緊湊的光來完成，與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)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；
其次，硅光子芯片的基礎(chǔ)材料不需要傳統(tǒng)先進芯片的GaAs/InP襯底，只需要硅基材料即可，一旦大規(guī)模生產(chǎn)，芯片成本將會得以大幅降低；
最后，硅的禁帶寬度為1.12eV，對應(yīng)的光波長為1.1μm。因此，硅對于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性。此外，硅的折射率高達(dá)3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。
還有一點很值得注意，就是對于我國目前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，硅光子芯片有它獨有的優(yōu)勢——可以避開先進光刻機的掣肘。雖然它在制作流程和復(fù)雜程度上同傳統(tǒng)芯片相似，但是它對于制程工藝的先進程度要求不高，不像傳統(tǒng)芯片那樣制程和能效的關(guān)聯(lián)性巨大，一般百納米級的工藝水平就能滿足硅光子芯片的要求，這對于我國來說，120納米左右的芯片是完全可以自主生產(chǎn)的，這樣就可以繞開先進制程工藝的限制，在未來實現(xiàn)換道超車。
02硅光芯片設(shè)計上的“攔路虎”
（一）缺少設(shè)計和制造工具
目前，硅光子的設(shè)計方法和設(shè)計工具，多效仿或來自于微電子領(lǐng)域的電子設(shè)計自動化（EDA）。EDA 對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)多通過已驗證元件的組合，這些元件一般包含于工藝廠提供的工藝設(shè)計包（PDK）。目前在一些硅光子多項目晶圓（MPW）流片中，工藝廠已經(jīng)開始提供PDK用于硅光子領(lǐng)域的設(shè)計，但是功能仍十分有限。另一方面，硅光子設(shè)計有其獨特的需求，EDA 工具無法滿足其自動化設(shè)計需求，亟需針對硅光子設(shè)計的硅光子設(shè)計自動化（PDA）工具。
另一大挑戰(zhàn)是設(shè)計工具非標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計與制造分離，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計與仿真工具，以及設(shè)計套件（PDK）。設(shè)計光電芯片與電芯片有很大的不同。光學(xué)中的交叉電路并不違規(guī)，不會像電氣設(shè)計那樣造成短路。此外，大多數(shù)光電學(xué)芯片都是在130nm-90nm下開發(fā)的，其成本更低，更容易使用。但大的問題是缺乏適宜的工具。
由于硅光集成仍在發(fā)展探索階段，代工廠擁有各自的PDK，器件參數(shù)各不相同。工程師設(shè)計原理圖的同時，也要考慮底層元器件的性能參數(shù)。除了使用代工廠提供的PDK外，客戶也根據(jù)代工廠的設(shè)計文件，進行器件的獨立設(shè)計。
（二）光子鏈路的仿真
在整個硅光子設(shè)計流程中，光子鏈路仿真也是令人頭疼的問題。相比成熟的微電子仿真設(shè)計，光電子仿真設(shè)計的計算量大，標(biāo)準(zhǔn)化器件少，從而導(dǎo)致自動化程度較低。而光電子集成芯片在大容量光通信、光計算、光成像、光傳感等領(lǐng)域的發(fā)展對光電融合仿真設(shè)計提出了更高的要求。
光電子集成芯片設(shè)計流程以器件設(shè)計為基礎(chǔ)，自底而上。
1. 利用TCAD 工具進行材料工藝仿真，得到材料的光電特性等基礎(chǔ)參數(shù)，形成相應(yīng)的材料庫；
2. 進行無源以及有源器件的仿真設(shè)計。其中無源器件通常采用FDTD、EME、BPM 等仿真算法。有源仿真則通過求解薛定諤方程、載流子輸運方程、泊松方程等獲得器件的電學(xué)性能和光學(xué)性能。
3. 之后進一步形成器件庫與器件緊湊模型，并基于緊湊模型進行鏈路仿真，然后進行版圖設(shè)計、寄生提取及后仿驗證。
光電全鏈條仿真工具（來源：光電子集成芯片研究報告）
仿真方法一般是利用散射矩陣的形式來描述鏈路中光子器件及其之間的連接，但是由于光子器件本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，很難使用單一的散射矩陣來描述其屬性。另一方面，現(xiàn)在的工藝已經(jīng)可以實現(xiàn)單片數(shù)以千計的無源有源器件混合集成，相互之間帶來的寄生效應(yīng)更難以用單一矩陣形式描述，更不用說光電集成時的所面臨的光電混合仿真。
要實現(xiàn)準(zhǔn)確的光子鏈路仿真，其根本在于構(gòu)建精確的基礎(chǔ)光子器件的行為模型，這同樣帶來了設(shè)計上的另一個挑戰(zhàn)——光子鏈路仿真的不確定性。
通常我們通過集中于光子器件的物理仿真，以構(gòu)建用于光子鏈路的器件模型，但是受制于光子器件模型的復(fù)雜性，以及其功能特性對模型結(jié)構(gòu)精確度的敏感性，很難從物理模型中提取器件的行為模型，這也導(dǎo)致了光子鏈路仿真的不確定性，使得設(shè)計流程經(jīng)常需要在鏈路仿真與器件優(yōu)化之間做更多次的設(shè)計迭代。此外，大多數(shù)的硅基光電子器件均是波長依賴型，且受到溫度等其他物理特性的影響，一旦環(huán)境改變，還需要再次進行仿真和優(yōu)化。
（三）布圖設(shè)計-波導(dǎo)器件異常敏感
硅光子鏈路與器件設(shè)計完成后需要生成掩模版圖，用于提交給工藝廠進行制備。布圖的生成一般仍獨立于鏈路設(shè)計，而且多沿用EDA 中使用的工具。與電路布圖多是橫平豎直的矩形結(jié)構(gòu)不同，硅光子鏈路及器件的結(jié)構(gòu)需要考慮導(dǎo)波的需求，考慮波導(dǎo)器件性能對結(jié)構(gòu)尺寸的敏感性，實際制備時需要非常精準(zhǔn)的套刻工藝。
另一個難點是布局與布線。對硅光子器件來講，要面臨比電子器件布局中更多的限制。器件的連接則要考慮器件端口結(jié)構(gòu)與連接波導(dǎo)類型、角度的匹配，對于相位敏感的鏈路結(jié)構(gòu)，還需要精確控制不同鏈路中的連接波導(dǎo)長度。在送交布圖到工藝廠加工之前，驗證工作也是必不可少的。目前用于硅光子的驗證工具多直接來源于EDA 工具的定制，僅能實現(xiàn)設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）。由于光電器件之間的諸多差異，DRC 的實現(xiàn)也是十分有限的。
03硅光市場“大變天”，競爭白熱化
對于硅光子，大多數(shù)玩家看中的并不是它的性能，而是硅的原料豐富性、可規(guī)模制作性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、以及靈活的可摻雜性等各種性質(zhì)優(yōu)勢；但利用龐大半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)并不是沒有缺點，由于這個產(chǎn)業(yè)的專業(yè)細(xì)分化和各層次的高度成熟性，使得在未形成有效的Fabless-Foundry 模式前，進入門檻和初始投入非常大。無論對于初創(chuàng)公司還是大公司的部門，都需要準(zhǔn)備大量的研發(fā)資源并仔細(xì)考慮其應(yīng)用場景。
那么，硅光芯片能否突破摩爾定律的“天花板”，開辟新的“賽道”？
仍存需要突破的技術(shù)瓶頸
“硅光子技術(shù)的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易?！北本┼]電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李培剛告訴科技日報記者，早在上世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開始為傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，光子計算一度被認(rèn)為是最有希望的未來技術(shù)。“因技術(shù)上的原因，直到21世紀(jì)初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(gòu)才率先重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路?！崩钆鄤傉f。
硅光芯片制造技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料，利用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝進行光器件開發(fā)和集成的技術(shù)，其結(jié)合了集成電路技術(shù)超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶圓制造技術(shù)是相輔相成的。
我國十分重視硅光芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但剛開始時，國內(nèi)的高端硅光芯片以設(shè)計為主，流片主要還是在國外，芯片制備的周期長、成本高，制約了我國硅光子技術(shù)的發(fā)展，“加之國外限制中國的芯片技術(shù)發(fā)展，采取了一系列措施，對我國硅光芯片企業(yè)的發(fā)展造成了較嚴(yán)重的影響?！?/span>
硅光技術(shù)發(fā)展主要可以分為3個階段：
第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化；
第二，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進，實現(xiàn)部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片；
第三，光電一體技術(shù)融合，實現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。
盡管硅光技術(shù)日趨成熟，硅光芯片即將進入規(guī)?；逃秒A段，但是仍存在需要突破的技術(shù)瓶頸，如設(shè)計工具非標(biāo)準(zhǔn)化、硅光耦合工藝要求較高以及晶圓自動測試及切割等存在技術(shù)性挑戰(zhàn)。
我國在硅光芯片的研發(fā)上已經(jīng)取得了技術(shù)突破，但在產(chǎn)業(yè)化方面，國產(chǎn)硅光芯片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)還存在一些問題，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、器件封裝和應(yīng)用配套等，需要不斷發(fā)展成熟，除了技術(shù)本身，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化也會受到材料、工藝、裝備、軟件、人才以及市場生態(tài)等綜合因素的影響。所以，在對技術(shù)方面的研發(fā)進行投入之外，形成一個好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，搭建平臺、優(yōu)化生態(tài)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游加大合作，對于硅光芯片的發(fā)展也是非常重要的。”李培剛說。
04我國硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
我國正處于追趕者的地位。由于我國進入硅光領(lǐng)域較晚，但在硅光子學(xué)的發(fā)展方面非?；钴S，有許多參與者參與其中。盡管該行業(yè)在我國仍處于起步階段，但正在形成合作伙伴和合資企業(yè)。目前主要通過并購或者與外企合作的模式切入，正處于追趕者的地位。我國目前在硅光領(lǐng)域開展布局的企業(yè)主要有華為、光迅科技、亨通光電、博創(chuàng)科技等。
我國硅光發(fā)展與發(fā)達(dá)國家仍存在差距。我國在光模塊產(chǎn)業(yè)鏈中，上游核心芯片和器件一直比較弱，尤其是25Gb/s以上的高速高端芯片領(lǐng)域國產(chǎn)化率極低。高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）嚴(yán)重依賴進口，與國外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在明顯差距。數(shù)據(jù)顯示，我國2.5Gb/s光通信芯片國產(chǎn)化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片國產(chǎn)化率卻不超過5%，非常依賴Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。在目前的硅光技術(shù)中，依然呈現(xiàn)出這種態(tài)勢，國產(chǎn)廠商更多依靠封裝能力與歐美芯片廠商合作，來切入產(chǎn)業(yè)鏈，后期通過技術(shù)積累提升自研芯片技術(shù)是重要發(fā)展方向。
在設(shè)計方面，架構(gòu)不夠完善，體積和性能平衡的問題沒有妥善解決。在制備方面，我國的硅光芯片大部分都需要國外代工，對外依賴度大。在封裝方面，硅光器件之間的耦合以及大密度集成仍然存在問題。
在測試方面，高速儀器儀表還嚴(yán)重依賴國外。
在推廣應(yīng)用方面，雖然第一代硅光相干芯片已經(jīng)完成研制，但是距離應(yīng)用還有一段路要走，關(guān)于如何在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域發(fā)揮硅光技術(shù)優(yōu)勢，降低成本，依然是我國硅光發(fā)展需要面臨的問題。
在企業(yè)規(guī)模上，相比集成電路企業(yè)，我國硅光企業(yè)大都規(guī)模較小，芯片嚴(yán)重依賴國外，企業(yè)實力較弱，垂直整合能力較差，雖然有一些硅光企業(yè)，但大都是設(shè)計、后道制程和封裝企業(yè)，具有芯片制備能力的企業(yè)寥寥無幾。
奮起直追，硅光技術(shù)被列入國家重點扶持方向
我國在“十五”到“十四五”期間，對硅基光電子技術(shù)研究不斷給予投入，政策上不斷給予支持。目前在硅基激光器/調(diào)制器/探測器等高性能單元器件、硅光片上復(fù)用技術(shù)、硅光量子芯片、硅光芯片傳輸功能研究和系統(tǒng)應(yīng)用驗證等核心技術(shù)方面取得了重要進展，在硅光技術(shù)基礎(chǔ)研究方面接近國際一流水平。我國的硅光芯片產(chǎn)業(yè)布局也愈發(fā)完善，我國被稱為“光芯”的城市約有六座，目前，已經(jīng)形成武漢、大連、上海、南通等全球知名的光子芯片產(chǎn)業(yè)鏈。
隨著技術(shù)的發(fā)展，包括硅、氮化硅、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用于研發(fā)單片集成或混合集成的光子芯片。光子集成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)實現(xiàn)了明顯突破。
縱觀歷史，科技革命的擴散周期大約為60年，集成電路從20世紀(jì)60年代誕生至今也已過去60年，硅光芯片無疑是引領(lǐng)下一個60年的關(guān)鍵。屬于硅光芯片的時代已經(jīng)到來，但硅芯片行業(yè)一直殘酷地循環(huán)著優(yōu)勝劣汰和洗牌，誰能追逐得更快，誰才會成功。任何玩家想在硅光領(lǐng)域里一展宏圖，還需要翻越眾多“技術(shù)高山”………
