硅光子芯片市場競爭白熱化，我國硅光發(fā)展與發(fā)達國家仍存在差距
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?。即：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經過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，芯片內部的互連線所引起的各種微觀效應成為影響芯片性能的重要因素，而芯片互連是目前的技術瓶頸之一，就好比我們的公路，當?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。當芯片越做越小時，互聯(lián)線也需要越來越細，互連線間距縮小，電子元件之間引起的各種量子效應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實現(xiàn)的一種基于硅光子學的低成本、高速的光通信技術，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)界認為是延續(xù)摩爾定律發(fā)展的技術之一。常見的互連線材料諸如鋁、銅、碳納米管等，而這些材質的互連線無疑都會遇到物理極限，而光互連則不然。硅光子技術采用的基礎材料是玻璃。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通路來傳輸信號，很適合于計算機內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，可使處理器內核之間的數(shù)據傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認為是新一代半導體技術。但是，作為下一代的半導體技術，其技術本身的起步已很早就開始了。早在上世紀九十年代，就提出了有關的一些概念，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世紀初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學術機構就開始重點發(fā)展硅芯片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據電路。
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，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)異的波導傳輸特性。此外，硅的折射率高達3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導可以具有較小的波導彎曲半徑。
還有一點很值得注意，就是對于我國目前的半導體產業(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硅光芯片設計上的“攔路虎”
（一）缺少設計和制造工具
目前，硅光子的設計方法和設計工具，多效仿或來自于微電子領域的電子設計自動化（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，工藝廠已經開始提供PDK用于硅光子領域的設計，但是功能仍十分有限。另一方面，硅光子設計有其獨特的需求，EDA 工具無法滿足其自動化設計需求，亟需針對硅光子設計的硅光子設計自動化（PDA）工具。
另一大挑戰(zhàn)是設計工具非標準化。設計與制造分離，缺乏標準的設計與仿真工具，以及設計套件（PDK）。設計光電芯片與電芯片有很大的不同。光學中的交叉電路并不違規(guī)，不會像電氣設計那樣造成短路。此外，大多數(shù)光電學芯片都是在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，客戶也根據代工廠的設計文件，進行器件的獨立設計。
（二）光子鏈路的仿真
在整個硅光子設計流程中，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計，光電子仿真設計的計算量大，標準化器件少，從而導致自動化程度較低。而光電子集成芯片在大容量光通信、光計算、光成像、光傳感等領域的發(fā)展對光電融合仿真設計提出了更高的要求。
光電子集成芯片設計流程以器件設計為基礎，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參數(shù)，形成相應的材料庫；
2. 進行無源以及有源器件的仿真設計。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性能和光學性能。
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構復雜性，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)準確的光子鏈路仿真，其根本在于構建精確的基礎光子器件的行為模型，這同樣帶來了設計上的另一個挑戰(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雜性，以及其功能特性對模型結構精確度的敏感性，很難從物理模型中提取器件的行為模型，這也導致了光子鏈路仿真的不確定性，使得設計流程經常需要在鏈路仿真與器件優(yōu)化之間做更多次的設計迭代。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）布圖設計-波導器件異常敏感
硅光子鏈路與器件設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構不同，硅光子鏈路及器件的結構需要考慮導波的需求，考慮波導器件性能對結構尺寸的敏感性，實際制備時需要非常精準的套刻工藝。
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構與連接波導類型、角度的匹配，對于相位敏感的鏈路結構，還需要精確控制不同鏈路中的連接波導長度。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)定的化學性質、以及靈活的可摻雜性等各種性質優(yōu)勢；但利用龐大半導體生態(tài)系統(tǒng)并不是沒有缺點，由于這個產業(yè)的專業(yè)細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，都需要準備大量的研發(fā)資源并仔細考慮其應用場景。
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瓶頸
“硅光子技術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┼]電大學教授、博士生導師李培剛告訴科技日報記者，早在上世紀90年代，IT從業(yè)者就開始為傳統(tǒng)半導體芯片產業(yè)尋找繼任者，光子計算一度被認為是最有希望的未來技術?！耙蚣夹g上的原因，直到21世紀初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學術機構才率先重點發(fā)展硅芯片光學信號傳輸技術，期望能用光通路取代芯片之間的數(shù)據電路?！崩钆鄤傉f。
硅光芯片制造技術是基于硅和硅基襯底材料，利用互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝進行光器件開發(fā)和集成的技術，其結合了集成電路技術超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，與現(xiàn)有的半導體晶圓制造技術是相輔相成的。
我國十分重視硅光芯片產業(yè)的發(fā)展。但剛開始時，國內的高端硅光芯片以設計為主，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的發(fā)展，“加之國外限制中國的芯片技術發(fā)展，采取了一系列措施，對我國硅光芯片企業(yè)的發(fā)展造成了較嚴重的影響。”
硅光技術發(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，達到工藝的標準化；
第二，集成技術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)更加復雜的功能。
盡管硅光技術日趨成熟，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瓶頸，如設計工具非標準化、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性挑戰(zhàn)。
我國在硅光芯片的研發(fā)上已經取得了技術突破，但在產業(yè)化方面，國產硅光芯片產業(yè)化技術還存在一些問題，包括結構設計、制造工藝、器件封裝和應用配套等，需要不斷發(fā)展成熟，除了技術本身，硅光芯片的產業(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，在對技術方面的研發(fā)進行投入之外，形成一個好的產業(yè)生態(tài)，搭建平臺、優(yōu)化生態(tài)，產業(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?！崩钆鄤傉f。
04我國硅光產業(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域較晚，但在硅光子學的發(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)達國家仍存在差距。我國在光模塊產業(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域國產化率極低。高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）嚴重依賴進口，與國外產業(yè)領先水平存在明顯差距。數(shù)據顯示，我國2.5Gb/s光通信芯片國產化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片國產化率卻不超過5%，非常依賴Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。在目前的硅光技術中，依然呈現(xiàn)出這種態(tài)勢，國產廠商更多依靠封裝能力與歐美芯片廠商合作，來切入產業(yè)鏈，后期通過技術積累提升自研芯片技術是重要發(fā)展方向。
在設計方面，架構不夠完善，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，高速儀器儀表還嚴重依賴國外。
在推廣應用方面，雖然第一代硅光相干芯片已經完成研制，但是距離應用還有一段路要走，關于如何在數(shù)據通信領域發(fā)揮硅光技術優(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/調制器/探測器等高性能單元器件、硅光片上復用技術、硅光量子芯片、硅光芯片傳輸功能研究和系統(tǒng)應用驗證等核心技術方面取得了重要進展，在硅光技術基礎研究方面接近國際一流水平。我國的硅光芯片產業(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，已經形成武漢、大連、上海、南通等全球知名的光子芯片產業(yè)鏈。
隨著技術的發(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。光子集成技術的發(fā)展已經實現(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60年代誕生至今也已過去60年，硅光芯片無疑是引領下一個60年的關鍵。屬于硅光芯片的時代已經到來，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域里一展宏圖，還需要翻越眾多“技術高山”………
