1845
數(shù)據(jù)中心/AI服務(wù)器市場爆發(fā)，對(duì)硅光互連技術(shù)的需求進(jìn)入加速期
近些年，全球數(shù)字化進(jìn)程推進(jìn)，以及5G、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的普及，惠及數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模的穩(wěn)步增長，而伴隨AI尤其是生成式AI引領(lǐng)的一場大模型競賽，以及由此帶來的一些端側(cè)AI應(yīng)用場景的出現(xiàn)，更讓數(shù)據(jù)中心的規(guī)模增長呈現(xiàn)一種爆發(fā)態(tài)勢(shì)。
這背后則是一場圍繞AI技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用落地的高性能算力集群、基礎(chǔ)設(shè)施搭建的全民運(yùn)動(dòng)，也讓AI服務(wù)器的市場規(guī)模增長不斷加速，據(jù)TrendForce最新研究，預(yù)計(jì)2024年整個(gè)服務(wù)器行業(yè)的總價(jià)值將達(dá)到3060億美元。其中，與AI服務(wù)器相關(guān)的行業(yè)價(jià)值估計(jì)約為2050億美元，與標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器相關(guān)的行業(yè)價(jià)值相比，增長更為強(qiáng)勁。展望2025年，由于需求持續(xù)旺盛且產(chǎn)品平均售價(jià)較高，預(yù)計(jì)AI服務(wù)器細(xì)分市場的價(jià)值將升至2980億美元，同時(shí)，預(yù)計(jì)AI服務(wù)器將占整個(gè)服務(wù)器行業(yè)總價(jià)值的70%以上。
大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和AI服務(wù)器對(duì)高算力、高數(shù)據(jù)傳輸帶寬、低延遲以及低能耗的種種要求也帶動(dòng)了諸多產(chǎn)品和技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，其中就包括重要的互連技術(shù)。在互連技術(shù)上的光銅之爭正在發(fā)生，尤其1月中下旬英偉達(dá)黃仁勛在接受媒體采訪時(shí)的一番發(fā)言，為這一話題再添熱度?！拔覀冋谂c臺(tái)積電合作開發(fā)硅光技術(shù)，但它仍然需要幾年時(shí)間（落地）。我們應(yīng)該盡可能繼續(xù)使用銅技術(shù)，在那之后，如果需要，我們可以使用硅光技術(shù)，但我覺得還需要幾年時(shí)間?！边@讓此前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為的在數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)技術(shù)領(lǐng)域光進(jìn)銅退的大趨勢(shì)似乎還未到蓋棺定論的時(shí)候，但要注意，黃仁勛在這次發(fā)言中同時(shí)提到，“隨著芯片復(fù)雜度的不斷提升，封裝難度隨之加大，但令人振奮的是，未來的芯片級(jí)連接，如GPU-GPU/CPU之間的OIO互連，將有望通過硅光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)?！笨梢?，這里的光進(jìn)銅退或許不是100%的絕對(duì)替代，但硅光互連技術(shù)仍是解決當(dāng)前高算力芯片之間高效互連的重要技術(shù)發(fā)展方向，未來的市場空間值得期待。
近日的一次媒體溝通會(huì)上，意法半導(dǎo)體射頻與光通信子產(chǎn)品部副總裁Vincent Fraisse表達(dá)了同樣的樂觀預(yù)期，“我們深信，在不斷加速的AI基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的新時(shí)代，所有的元素都可以通過光連接的方式來進(jìn)行互連?！?/p>
市場研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)也印證了這一趨勢(shì)，據(jù)Yole預(yù)測，全球硅光市場規(guī)模有望在2028年突破60億美元，年復(fù)合增長率達(dá)25%。具體到應(yīng)用領(lǐng)域，AI領(lǐng)域采用的硅光光模塊市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從2023年的2億美元增長至2028年的34億美元，復(fù)合增長率約為38%?。特別是在數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算領(lǐng)域，硅光模塊憑借其高帶寬、低延遲和低功耗的優(yōu)勢(shì)，成為重要的解決方案。
意法半導(dǎo)體以代工身份入局，背后邏輯何如？
在上面提到的媒體溝通會(huì)上，意法半導(dǎo)體宣布針對(duì)云光互連市場推出新一代專有硅光技術(shù)，同時(shí)結(jié)合意法半導(dǎo)體新一代 BiCMOS 工藝技術(shù)，可以幫助云計(jì)算服務(wù)商和光模塊廠商克服計(jì)算、內(nèi)存、電源以及這些資源的互連中所面臨的性能和能效挑戰(zhàn)。
在描述這一業(yè)務(wù)和服務(wù)的定位時(shí)，Vincent明確表示，“我們的戰(zhàn)略是將自身定位為一家代工廠，因此，在光收發(fā)器業(yè)務(wù)領(lǐng)域，我們僅針對(duì)硅光子學(xué)和 BiCMOS 技術(shù)提供代工服務(wù)。我們也會(huì)為客戶提供諸如組裝測試等服務(wù)，甚至包括一些設(shè)計(jì)服務(wù)。但我們不會(huì)開發(fā)自己的產(chǎn)品，以免與客戶形成競爭關(guān)系。”
要理解意法半導(dǎo)體提供的技術(shù)和服務(wù)，需要了解其針對(duì)的云光互連主要的硬件產(chǎn)品光收發(fā)器的技術(shù)架構(gòu)。光收發(fā)器的基本功能是將調(diào)制在光上的信號(hào)轉(zhuǎn)換為通過傳統(tǒng)導(dǎo)線傳輸?shù)碾娦盘?hào)，通常情況下都是可插拔的，可以插入交換機(jī)或服務(wù)器，從而構(gòu)建一個(gè)靈活的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。常見的光收發(fā)器主要由幾個(gè)重要的半導(dǎo)體元件構(gòu)成，包括微控制器MCU，用于控制收發(fā)器的操作，有時(shí)還包含一個(gè)用于處理器（xPU）的電信號(hào)進(jìn)行均衡處理的DSP；電子集成電路（EIC），負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)光源，同時(shí)在接收信號(hào)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；以及光子集成電路（PIC），負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。
光收發(fā)器架構(gòu)及市場機(jī)遇 來源：意法半導(dǎo)體
意法半導(dǎo)體此次推出的專有硅光技術(shù)和BiCMOS工藝就分別針對(duì)PIC和EIC單元的代工制造服務(wù)。
在PIC部分，意法半導(dǎo)體推出專有硅光技術(shù)平臺(tái)PIC00。在意法半導(dǎo)體看來，如今光收發(fā)器正從PIC轉(zhuǎn)向一種被稱為硅光子學(xué)（也簡稱為SiPho）的技術(shù)，“無論是對(duì)于可插拔式光模塊還是共封裝光學(xué)（CPO）光模塊都是如此。我們相信，在AI集群需求的不斷推動(dòng)之下，未來十年硅光技術(shù)的增長率將會(huì)達(dá)到雙位數(shù)?！盫incent強(qiáng)調(diào)。
相較于當(dāng)前的電吸收調(diào)制激光器（EML）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術(shù)，SiPho表現(xiàn)出如下優(yōu)勢(shì)：
1. 易于集成，對(duì)與可插拔光模塊和CPO有很好的適用性；
2. SiPho能夠提供更優(yōu)的性能，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，并且具備更高的傳輸速度，支持每個(gè)通道高達(dá)200 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果與市場對(duì)更高吞吐量的發(fā)展趨勢(shì)相結(jié)合時(shí)，Vincent提到，“可以預(yù)見，在未來幾年里，SiPho將在收發(fā)器市場中占據(jù)最大份額，甚至有可能會(huì)擠占用于GPU的短距離銅纜連接的市場份額?！?/p>
3. SiPho的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是性能提升也可以轉(zhuǎn)化成為能效優(yōu)勢(shì)。Vincent介紹，“再加上可通過BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)更加線性的EIC，從而通過省去DSP的方式來降低系統(tǒng)的整體功耗?！边@就是在被稱為線性可插拔光模塊（LPO）或線性接收光模塊（LRO）這類特定的收發(fā)器中所實(shí)現(xiàn)的功能。通過提供更優(yōu)的信號(hào)質(zhì)量，更強(qiáng)的線性度以及更低的損耗，來去除對(duì)DSP的依賴性，從而能夠幫助降低功耗?！巴瑫r(shí)由于其更高的性能，SiPho還可以幫助LPO和LRO傳輸更遠(yuǎn)的距離?！盫incent補(bǔ)充。
“PIC100是目前市場上唯一支持300毫米晶圓的單通道200Gbps的純硅技術(shù)平臺(tái)?！盫incent表示，“具有緊湊的結(jié)構(gòu)、廣泛的工作范圍以及卓越的性能，而這些性能水平是目前現(xiàn)有的集成硅技術(shù)所無法達(dá)到的。PIC100采用了全新的材料堆疊，實(shí)現(xiàn)光纖與PIC的高效邊沿耦合，取代了傳統(tǒng)的垂直耦合技術(shù)，這減少了系統(tǒng)損耗，而系統(tǒng)損耗一直是困擾所有傳輸技術(shù)開發(fā)者的難題?！?/p>
PIC100計(jì)劃在2025下半年開始量產(chǎn)。
同時(shí)，Vincent樂觀預(yù)測，未來SiPho也將會(huì)成為芯片到芯片即GPU互連的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)?！跋噍^于傳統(tǒng)的機(jī)架銅纜，SiPho能夠使連接做得更加緊湊。這也是前面提到的共封裝光學(xué)CPO的一個(gè)重要應(yīng)用場景?！?/p>
“這些光到光（OIO）互連需要密集型調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)，需要定制化的EIC解決方案以提升性能并進(jìn)行優(yōu)化，還需要硅通孔（TSV）技術(shù)來限制損耗，并通過3D封裝技術(shù)提高集成密度。意法半導(dǎo)體將在PIC100設(shè)計(jì)平臺(tái)內(nèi)提供構(gòu)建這些光學(xué)IO所需的所有工具套件?！盫incent補(bǔ)充。
在EIC部分，意法半導(dǎo)體開放了其在BiCMOS工藝上最先進(jìn)的B55X技術(shù)?！拔覀?yōu)榭蛻籼峁〣iCMOS技術(shù)已經(jīng)有超過十年的歷史?！盫incent表示，“就B55X而言，它具備市場上最佳的工作頻率（Fmax）、特征頻率（FT）以及更低的噪聲性能。對(duì)于每通道200Gbps以及下一代400Gbps產(chǎn)品，它都是非常理想的技術(shù)。其出色的線性度對(duì)于LPO而言堪稱理想之選，這種LPO適用于低功耗且低成本的光收發(fā)器應(yīng)用。”
目前已有約20家大客戶在采用意法半導(dǎo)體的BiCMOS技術(shù)設(shè)計(jì)EIC。
針對(duì)硅光互連市場，意法半導(dǎo)體選擇在這個(gè)時(shí)間以晶圓代工而不是芯片供應(yīng)商的身份入局，分析下來底層原因無外乎幾點(diǎn)：
1. 首先是技術(shù)積累。意法半導(dǎo)體在硅光技術(shù)領(lǐng)域早有積累，具備提供相關(guān)技術(shù)和服務(wù)的能力。如Vincent所言，“十多年前我們?cè)诠韫饧夹g(shù)上就有了很多技術(shù)積累和研究，我們也一直領(lǐng)引這一技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)時(shí)，我們決定暫時(shí)保留硅光晶圓的生產(chǎn)能力，但是不做進(jìn)一步的產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，主要原因是那個(gè)時(shí)候市場還比較小，還處于比較早期的階段，但是我們一直都保留著我們硅光技術(shù)的研發(fā)實(shí)力?！边@點(diǎn)在意法半導(dǎo)體的財(cái)報(bào)上也有所體現(xiàn)，我們看到意法半導(dǎo)體在2013和2014年均有來自硅光技術(shù)的營收，分別是4.62億美元和3.30億美元，而從2015年開始又停止了這項(xiàng)業(yè)務(wù)，顯然是營收增長不佳讓意法半導(dǎo)體意識(shí)到還未到推動(dòng)和開展相關(guān)硅光子學(xué)技術(shù)的時(shí)機(jī)，但其技術(shù)前瞻性仍可見一斑；
意法半導(dǎo)體2013-2015年財(cái)報(bào) 來源：ifind
2. 其次是時(shí)機(jī)選擇。當(dāng)下硅光互連市場開始加速成長，市場進(jìn)入規(guī)模放量階段，加之對(duì)未來市場增長前景的樂觀預(yù)測，是入場的好時(shí)機(jī)無疑，“一直到現(xiàn)在，由于AI的蓬勃發(fā)展，整個(gè)市場的需求已經(jīng)出現(xiàn)，這個(gè)市場已經(jīng)到來，而我們認(rèn)為，硅光技術(shù)是為AI而生的一種技術(shù)，這就促使我們進(jìn)一步重啟了基于這一技術(shù)的產(chǎn)品生產(chǎn)?！盫incent如是說；
3. 最佳盈利模式。意法半導(dǎo)體之所以選擇代工廠的形式而不是自己做產(chǎn)品，背后應(yīng)該是對(duì)投入產(chǎn)出和最大市場回報(bào)率的考量。如Vincent提到的預(yù)測數(shù)據(jù)，“到2030年，BiCMOS和硅光相結(jié)合的代工市場總規(guī)模預(yù)計(jì)可達(dá)到20億美元?！币夥ò雽?dǎo)體一定是篤信，通過在BiCMOS工藝和硅光技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，用開放代工的模式可以為其帶來更大的營收增長空間。
