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曾在与电子芯片竞争中落伍的光子芯片，正在崛起。

近段时间以来，英特尔和英伟达投资Ayar Labs，华为入股微源光子及长光华芯，格芯推出新硅光子手艺，新思科技确立OpenLight公司等等，头部大厂一系列行为都正在将行业眼光聚焦到“光芯片”赛道。

随着5G、AIoT、云盘算等各项应用的逐步落地，对数据传输提出了更高的要求。与此同时，数据中央光电转换必须的器件——光模块迎来了发作式增进。有数据统计，在多平面网络架构下的，新一代数据中央对光模块的需求量增添了65倍。

LightCounting的展望显示，全球光模块的市场规模将在未来5年以CAGR 14%保持增进，预计2026年到达176亿美元。

全球光模块细分市场规模及展望

（图源：LightCounting）

其中，光芯片的性能直接决议光模块的传输速率，是产业链焦点之一。以光通讯产业链为例，光芯片位于整个产业链的顶端，占有光模块成本的50%以上，是整个光通讯产业链条中手艺最庞大、价值最高的环节。

光通讯产业链

01、光芯片迎来生长时机

半个世纪以来，微电子手艺大致遵照着“摩尔定律”快速生长，随着信息手艺的不停拓宽和深入，芯片的工艺制程已减小到 5nm 以下，但由此带来的串扰、发烧和高功耗问题愈发成为微电子手艺难以解决的瓶颈。

同时，在现有冯诺依曼盘算系统接纳存储和运算星散的架构下，存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈，严重制约系统算力和能效的提升。此外，处置器与内存之间、处置器与处置器之间信息交互的速率严重滞后于处置器盘算速率，访存与I/O瓶颈导致处置器盘算性能有时只能施展出10%，这对盘算生长形成了极大制约。

电子芯片的生长迫近摩尔定律极限，继续在电子盘算手艺范式上追求突破口步履维艰。在面向“后摩尔时代”的潜在推翻性手艺里，光芯片已进入人们的视野。

光芯片，一样平常是由化合物半导体质料（InP和GaAs等）所制造，通过内部能级跃迁历程随同的光子的发生和吸收，进而实现光电信号的相互转换。

微电子芯片接纳电流信号来作为信息的载体，而光子芯片则接纳频率更高的光波来作为信息载体。相比于电子集成电路或电互联手艺，光芯片展现出了更低的传输消耗 、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁滋扰能力。

此外，光互联还可以通过使用多种复用方式（例如波分复用WDM、模分互用MDM等）来提高传输媒质内的通讯容量。因此，确立在集成光路基础上的片上光互联被以为是一种极具潜力的手艺，能够有用突破传统集成电路物理极限上的瓶颈。

光子芯片展望

回首光芯片生长历程，早在1969年美国的贝尔实验室就已经提出了集成光学的看法。但因手艺和商用化方面的缘故原由，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才最先重点生长硅芯片光学信号传输手艺，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。

近年来随着手艺的生长，包罗硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种质料系统已被用于研发单片集成或夹杂集成的光子芯片。

在已往数年里，光子集成手艺的生长已经取得了许多希望和突破。

据领会，现在纯光子器件已能作为自力的功效模块使用，然则，由于光子自己难以天真控制光路开关，也不能作为类似微电子器件的存储单元，纯光子器件自身难以实现完整的信息处置功效，依然需借助电子器件实现。因此，完盛情义上的纯“光子芯片”仍处于看法阶段，尚未形成可适用的系统。严酷意义上讲，当前的“光子芯片”应该是指集成了光子器件或光子功效单元的光电融合芯片，仍存在无法高密度集成光源、集成低消耗高速光电调制器等问题。

光子集成电路虽然现在仍处于低级生长阶段，不外其成为光器件的主流生长趋势已成一定。光子芯片需要与成熟的电子芯片手艺融合，运用电子芯片先进的制造工艺及模块化手艺，连系光子和电子优势的硅光手艺将是未来的主流形态

硅基光电子集成芯片看法图

高速数据处置和传输组成了现代盘算系统的两大支柱，而光芯片将信息和传输和盘算提供一个主要的毗邻平台，可以大幅降低信息毗邻所需的成本、庞大性和功率消耗。随着光芯片手艺的生长迭代，大型云盘算厂商和一些企业客户的需求都在从100G过渡到400G，400GbE的数据通讯模块出货量翻了一倍，在2021年到达创纪录的水平。

由此可见，光器件行业整个产业链都在连续向知足更高速率、更低功耗、更低成本等偏向演进升级，800G及更高速率产物也逐渐最先使用，差异细分领域都面临新手艺的迭代和升级。

迄今为止，硅光子商业化较为成熟的领域主要在于数据中央、高性能数据交流、长距离互联、5G基础设施等光毗邻领域，800G及以后硅光模块性价对照为突出。此外，Yole以为未来几年内增进最快的将是汽车激光雷达、消费者康健和光子盘算领域的应用。

02、光芯片赛道“能手云集”

光芯片的广漠市场远景自然吸引了众多厂商“抢食”。

从市场名目来看，美国是硅光子领域起步最早也是生长最好的国家，1991年美国便确立了“美国光电子产业振兴会”，以指导资源和各方气力进入光电子领域。2014年，美国又确立了“国家光子设计”产业同盟，明确将支持生长光学与光子基础研究与早期应用研究设计开发。

欧洲和日本也在跟进，中国也许在2010年以后最先入局光芯片赛道。另外，新加坡的IME也是较早确立硅光子工艺的平台之一，为行业的生长作出了不小的孝顺。

从当前产业链希望看，全球光芯片产业链已经逐渐成熟，从基础研发到制造工艺再到商业应用的各个环节均有代表性企业。其中以英特尔、思科、英伟达、格芯等为代表的企业占有了硅光芯片和模块出货量的大部门，成为业内领头羊。

英特尔：光芯片赛道“领头羊”

虽然是贝尔实验室提出的光芯片手艺的看法，但将其发扬光大的却是英特尔。

英特尔从20多年前就最先举行硅光子学研究，直到2016年才将其第一批硅光子光学收发器投入使用，标志着光子集成真正进入到主流应用领域。

英特尔第一个产物是100G PSM4 QSFP，在并行单模光纤上具有2公里的距离，而且在发射器芯片上具有磷化铟层，实现了四个夹杂激光器和用于将电信号转换为光的调制器和光电检测器以将光转换为电信号。该方案通过提供快速、可靠和经济高效的毗邻能力而提供伟大的价值。

2017年下半年英特尔最先大批量供应100G产物；2018年英特尔将其100G硅光收发器产物组合扩展到数据中央之外进入网络边缘，宣布了为加速新的5G应用场景和物联网应用发生的大量数据转移而优化的新硅光产物；同年，英特尔还展示出了其400G硅光能力；2020年英特尔最先开发其200G FR4和400G DR4光学收发器...

据知乎博主“溜达兔”先容，从2016年英特尔将其硅光子产物“100G PSM4”投入商用起，停止现在，英特尔已经为客户提供了跨越400万个100G的硅光子产物。而在2020年的英特尔研究院开放日流动上，英特尔又提出了“集成光电”愿景，即将光互连I/O直接集成到服务器和封装中，对数据中央举行刷新，实现1000倍提升，同时降低成本。

在高速网络交流芯片市场，英特尔正在力推Tofino方案，其中包罗了自研的硅光子手艺和高级封装手艺，即光电共封手艺(co-packaged，CPO）。

光电共封就是把将光芯片和电芯片(交流芯片)焊接在统一个基板上，芯片之间接纳光毗邻，对于高速芯片来说，可以解决功耗，散热，和端口密度等问题。英特尔为可编程以太网交流机芯片手艺而收购Barefoot时，显然也是思量到了光电共封CPO手艺。

现在，英特尔已经能做到在CMOS芯片慎麋集成的单一手艺平台上，将多波长激光器、半导体光学放大器、全硅光电检测器以及微型环调制器集成到一起，现在已经实现集成光子器件模块芯片的量产应用。

在今年OFC集会上，英特尔展示了其可靠的InP激光器、240Gbps的微环调制器及其控制电路。在这些焦点IP的基础上，英特尔演示了800G的硅光发送器，并展示了其在CPO与Optical I/O的结构，三个偏向都在稳步向前推进。

英特尔800G硅光模块示意图

综合来看，英特尔在硅光产物线的整体结构如下图所示，包罗Transceiver, CPO和Opitcal I/O，其带宽与能效比也是逐步提升。

相对于其他接纳代工厂的品牌来说，英特尔的优势还在于其一直走的都是一体化IDM模式，根据英特尔的说法，“英特尔是唯逐一家在软件、硅和平台、封装和工艺方面具有深度和广度的公司。”

此外，对高塔半导体（Tower Semiconductor）的收购又填补了英特尔在光子芯片领域的手艺实力。今年1月份，高塔半导体团结网络通讯装备公司瞻博网络(Juniper Networks)推出硅光子代工工艺，可将III-V族激光器、半导体光放大器(SOA)、电吸收调制器(EAM)和光电探测器与硅光子器件配合集成在一颗单芯片上，组成尺寸更小、具有更多通道数且更节能的光学架构息争决方案。

依附英特尔在硅光子工艺和封装手艺领域的积累，未来或将会成为该领域的有力竞争者。

Ayar Labs：光芯片赛道明星初创公司

除了自研之外，英特尔还在连续入股相关公司。近期投资了光芯片行业明星初创企业Ayar Labs。

据先容，Ayar Labs的光学I/O解决方案消除了与系统带宽、功耗、延迟和局限相关的瓶颈，显着改善了现有系统架构，并为人工智能、高性能盘算、云、电信、航空航天和遥感应用。据透露，Ayar Labs已经批量出货了第一批产物，预计到今年年底将出货数千个封装内的光学互连芯片。

Ayar Labs的专利手艺接纳行业尺度的硅加工工艺，开发了高速、高密度、低功耗的光互连芯片和激光器，以取代传统的电学I/O互连。Ayar Labs的高度差异化手艺对于支持未来的高性能盘算架构至关主要。

此外，为Ayar打开钱包的另有英伟达、惠普、应用质料以及芯片制造商格芯等科技公司和十几家投资公司的支持，Ayar与格芯携手开发了许多要害封装手艺，其中包罗铜柱手艺和V型槽光纤毗邻手艺等。

博通：CPO手艺竞争愈发猛烈

博通（Broadcom）是全球领先的有线和无线通讯半导体公司，也是VCSEL芯片的主要供应商之一。在光学数据通讯市场产物供应厚实，包罗光纤吸收器、嵌入式光学模组以及自顺应光缆等。

博通去年头宣布了两款支持光电共封（Co-Packaged Optics简称CPO）手艺的下一代交流ASIC芯片看法，首款25.6Tb Humboldt芯片预计在2022年年底推出，51.2Tbps芯片Bailly则将于2023年后宣布。博通同时宣布设计推出基于硅光手艺的支持与DSP合封的800G DR8 可插拔光模块，以及下一步与CPU和GPU共封的设计。

可以看到，在顶级高端交流芯片领域的光电共封CPO手艺的竞争将越来越猛烈。

思科：收购入局

思科于2012年、2019年收购Lightwire、Luxtera(硅光市占率35%)及Acacia公司，快速结构硅光领域，成为了收发器、交流机和通用配合封装光学器件硅光子学领域的向导者。

现在思科使用台积电来知足他们的一些光子学需求，思科还与英特尔、格芯在制造方面确立了互助同伴关系。

Lightwire在CMOS纤维光学和封装设计方面拥有专业优势，通过将多种高速自动和被动光纤功效整合到一小块硅基片上的方式在光纤互联领域取得一些创新功效；

Luxtera曾研发天下第一款CMOS光子器件，为最早推出商用级硅光集成产物的厂商之一，2015年宣布100G PSM4硅光子芯片；

Acacia 400G硅光模块方案主要是将星散光器件集成为硅光芯片的基础上再与自研DSP电芯片互联，最终外接激光器举行封装，已于2020年最先送样给客户。

英伟达：以光器件破局

由于收购了Mellanox，英伟杀青为了顶级网络供应商。此外，英伟达还收购了一些光子学公司，包罗瑞典的OptiGOT，同时还为Infiniband网络中使用的光子收发器举行了一些设计。英伟达拥有用于交流机的完整IP阵列，由于其作为AI训练和加速盘算的领先公司，他们遇到了与盘算应用程序相关的最难的I/O功率扩展问题。

由于新的人工智能模子在参数数目上的爆炸式增进，英伟达在性能和功率方面陷入了逆境，需要配合封装的光学器件才气继续在AI中扩展。

英伟达之前曾提出过与共封装光子学相关的研究，直到2019年英伟达宣布以69亿美元的价钱收购光纤互连领军者Mellanox。于Mellanox在2013年收购Kotura时所获得的手艺，此次生意将为英伟达带来硅光子产物组合，使数据处置和互连组成统一解决方案的组成部门。

格芯：光子手艺代工“佼佼者”

在工艺方面，格芯（GlobalFoundries）是硅光子手艺方面的投入水平可能是几家主流代工厂中最起劲的。

格芯从数年前就最先起劲结构，现在能提供先进的硅光子工艺平台，包罗种种光波导、相移器、极化器、光二极管等等，除了硅光子工艺之外，格芯还提供高级封装选项，辅助客户实现CPO手艺。

前不久，格芯推出新一代硅光子平台Fotonix，实现了多项庞大工艺整合至单个芯片的功效，把光子系统、射频组件和CMOS集成到统一块芯片上。格芯将300mm光子学特征和300Ghz级其余RF-CMOS工艺集成到硅片上的平台，可以提供一流、大规模的性能。

据宣布资料显示，现在其Fotonix平台的客户包罗Broadcom、Marvell、Nvidia、Synopsys、Cisco等硅光子领域的主要厂商，以及 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 等光子手艺厂商，未来远景大有可观。

GF Fotonix 解决方案将在格芯位于纽约州马耳他的先进制造厂中生产，为客户提供参考设计套件、MPW、测试、晶圆厂前端和后端服务、交钥匙和半导体制造服务，辅助客户更快地将产物推向市场。格芯允许客户在芯片上封装更多产物功效并“简化他们的质料清单”，GF Fotonix 也支持种种芯片封装解决方案，包罗用于更大光纤阵列的无源附件、2.5D 封装和片上激光器。

格芯是现在唯一能提供 300mm 单芯片硅光解决方案的纯晶圆代工厂，该解决方案展示了精彩的单元光纤数据传输速率（0.5Tbps/光纤）。这样可以构建 1.6-3.2Tbps 的光学小芯片，从而提供更快速高效的数据传输，并带来更好的信号完整性。此外，由于系统误码率降低到了万分之一，它还能够支持下一代人工智能。

Ayar Labs 首席执行官 Charles Wuischpard 也指出，在确立早期就已经与格芯在 GF Fotonix 开发方面睁开互助，从集成 PDK 和工艺优化，到展示第一颗可以事情芯片，Ayar Labs 的单芯片电子/光子解决方案与 GF Fotonix 相连系，打开了芯片之间的光学 I/O 市场的伟大的时机，为年底之前批量生产做好了准备。

除了格芯外，高塔半导体推出了PH18DA制造工艺，能够降低成本，提高功率效率，并简化封装；台积电也推出了用于硅光子芯片的先进封装手艺——COUPE（紧凑型通用光子引擎）异构集成手艺。但相比起定位于全球领先的硅光子代工厂的格芯和拥有自己硅光代工平台的英特尔，其它代工厂商的结构仍稍显不足。

新思科技：生态系统的“加速器”

由于涉及大量庞大的夹杂信号，光子代工历程异常难题，验证设计的事情原理也异常难题。Synopsys、Cadence和Ansys等厂商与制造厂互助举行PDK开发和仿真是确立壮大的设计生态系统的要害。

以新思科技（Synopsys）为例，其光电统一的芯片设计解决方案 OptoCompiler 可助力开发者更好地在 硅光平台上举行创新，可为光子芯片提供完整的端到端设计、验证和签核解决方案。OptoCompiler 将成熟的专用光子手艺与业界领先的仿真和物理验证工具相连系，开发者能够对庞大的光子芯片举行快速、准确的设计和验证。

近期，新思科技与瞻博网络团结确立了面向硅光子市场的 OpenLight 公司，旨在加速高性能光子集成电路的开发，OpenLight将其激光集成作为其手艺的一个要害优势，希望能够吸引那些希望为硅光子应用生产芯片的客户。

OpenLight手艺已通过Tower Semiconductor的PH18DA制造工艺的资格和可靠性测试，通过将用于半导体激光器的磷化铟质料直接加工到硅光子芯片上。

03、中国光芯片产业的希望与出路

反观海内市场，近些年在下游需求大幅扩张的动员下，海内厂商通过手艺研发、对外收购等多种方式实验打造中国的光芯片产业。

工信部2017年底宣布的《中国光电子器件产业手艺生长蹊径图（2018—2022年）》指出，现在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跨越60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。

资料泉源：中国光电子器件产业手艺生长蹊径图(2018-2022年)

从上图可以看到，国产高端光芯片的缺失给行业带来了伟大生长时机。在政策支持下，我国光芯片行业生长迅速。尤其近年来，国际事态不稳，外洋断供海内芯片的事宜一再发生，国产替换也便成为了近年海内半导体业界的热门话题，依赖海内部门光芯片龙头企业的不停发力，在50G/400G等PAM4光模块产物已经实现了较大突破，已先后推出了50G QSFP28 PAM4 LR、400G QSFP-DDSR8等产物，后续50G QSFP28 BIDI/ER以及400G QSFP-DD DR4/FR4也将陆续宣布。

据不完全统计，现在本土光芯片/光模块厂商主要有：芯思杰、瑞识科技、新亮智能、度亘激光、长瑞光电、立芯光电、源杰半导体、锐晶激光、索尔思光电、长光华芯、华工科技、光迅科技、新易盛、云岭光电、敏芯半导体、博创科技、中际旭创、纵慧芯光、曦智科技、剑桥科技、凌越光电、盛为芯等企业。

此外，海内通讯龙头企业华为也在起劲结构光芯片赛道。

据投资界信息，2012年，华为收购英国集成光子研究中央CIP Technologies，开启了光芯片领域的探索；次年，华为又脱手收购一家比利时硅光手艺开发商Caliopa，完善自身在光芯片领域的手艺实力。

尔后自2019年下半年最先，华为再次集中投资光电芯片企业，一度掀起海内光芯片投资热潮。今年3月，华为又投了另一家光电芯片企业——纵慧芯光。据不完全统计，住手现在，华为投资结构疆土涉及十余家光芯片产业链相关企业。

2020年2月，华为还在伦敦宣布了800G可调超高速光模块。据先容，该产物支持200G-800G速率天真调治；单纤容量到达48T，对比业界方案凌驾40%；基于华为信道匹配算法，传输距离相比业界提升20%。这款产物被应用在全系列的华为OptiXtrans光传送产物中，是华为光网络顶级竞争力的主要组成部门。

去年4月，华为还宣布了一项关于光学芯片的专利，名为“耦合光的光学芯片及制造方式”，专利中不仅提供了一种用于在光学芯片与另一光学器件之间耦合光的光学芯片，同时还提供了制造这种光学芯片的方式，甚至还包罗了对晶圆的切割、蚀刻。

一系列动作也能看到华为在光芯片赛道的专注与坚持。换句话说，华为确信光芯片是未来数据传输的手艺之光。

虽然国产厂商进入该领域较晚，市场份额相对较小。然则通过近年来在手艺上的快速追赶，海内已经掌握光芯片焦点手艺的厂商队伍不停壮大，与外洋厂商在手艺上的差距已经是越来越小。

据维科网产业研究中央的统计，已往八年间，海内光芯片市场规模已经从8亿美元攀升至20.8亿美元，年均复合增进率约17.3%。同时，凭证我国在5G、数据中央、“西数东算”、“双千兆”网络的设计，预计2022年海内光芯片市场规模有望进一步扩大至24亿美元。

对我国而言，既要在传统赛道电子芯片领域尽快补短板，也要尽早在光子芯片等新赛道结构发力。双管齐下，起劲捉住新一轮科技革命和产业变化的时机。

04、写在最后

光芯片，已成为当前业内关注的焦点，也是创投圈最吸金的赛道之一。

随着摩尔定律脚步的放缓，探索新的手艺已经成为现在半导体领域的要害义务。将光子和集成电路的电子连系在一起，甚至是用光子替换电子形成“片上光互联”，以实现对现有光模块产业链的重塑，正成为半导体行业数个“推翻式创新”中的主要偏向之一。

正如陕西光电子先导院执行院长米磊所言：“迎着智能化曙光，未来将掀起光子手艺产业的革命，类似于从电子工业的晶体管迈入集成电路时代的手艺革命，集成光路将是半导体领域60年一遇的“换道超车”的主要时机。”

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