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作者：米樂
光通信行業(yè)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)LightCounting在最新報(bào)告中指出，光通信芯片組市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2025至2030年間以17%的年復(fù)合增長率（CAGR）增長，總銷售額將從2024年的約35億美元增至2030年的超110億美元。
當(dāng)前，光芯片正引起越來越多科研機(jī)構(gòu)和大廠的興趣。
?01市場(chǎng)和研究的重點(diǎn)
推動(dòng)市場(chǎng)增長的無疑是以太網(wǎng)和DWDM兩大巨頭，占據(jù)了絕對(duì)主導(dǎo)地位。而PAM4 DSP芯片則悄悄崛起，成為第三大細(xì)分市場(chǎng)。這種芯片主要用作交換機(jī)ASIC與可插拔端口之間的板載重定時(shí)器，聽起來可能有點(diǎn)復(fù)雜，但簡單來說，它就是讓數(shù)據(jù)傳輸更快、更穩(wěn)的關(guān)鍵角色。根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)，超大規(guī)模云服務(wù)商對(duì)AI基礎(chǔ)設(shè)施的投資正在推動(dòng)400G/800G以太網(wǎng)光模塊的需求激增，進(jìn)而拉動(dòng)了PAM4芯片組的銷量。
超大規(guī)模云服務(wù)商對(duì)AI基礎(chǔ)設(shè)施的巨額投資推動(dòng)400G/800G以太網(wǎng)光模塊出貨量激增。
中國云廠商開始跟進(jìn)投資AI基礎(chǔ)設(shè)施。
無線前傳作為PAM4光器件新興市場(chǎng)，預(yù)計(jì)將在2025年復(fù)蘇，并在2026年繼續(xù)增長。
自2024年年以來，英偉達(dá)、英特爾等巨頭企業(yè)紛紛在光子技術(shù)上加碼，英偉達(dá)計(jì)劃在2027年推出Rubin Ultra GPU計(jì)算引擎，整合共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)，解決數(shù)據(jù)傳輸帶寬瓶頸，并計(jì)劃在2025年與臺(tái)積電、博通合作推動(dòng)相關(guān)硅光子產(chǎn)品量產(chǎn)；英特爾則在光纖通信大會(huì)（OFC）大會(huì)上展示了其光學(xué)計(jì)算互連（OCI）芯片，實(shí)現(xiàn)與CPU共封裝，為滿足未來AI計(jì)算的高帶寬需求提供了解決方案；一個(gè)月后光子加速計(jì)算初創(chuàng)公司Lightmatter在D輪融資中融到了4億美元，估值達(dá)到44億美元，這筆資金將用于加速該公司光芯片的生產(chǎn)和部署，以滿足AI集群對(duì)低能耗、高性能計(jì)算的需求。
除此之外，國內(nèi)外頂尖科研機(jī)構(gòu)在光芯片領(lǐng)域有著先進(jìn)的科研成果。
上海交通大學(xué)鄒衛(wèi)文教授團(tuán)隊(duì)研制了實(shí)現(xiàn)高速張量卷積運(yùn)算的新型光子張量處理芯片。該研究創(chuàng)新提出基于光子集成手段構(gòu)建張量運(yùn)算過程的學(xué)科交叉研究思路，該思路無需進(jìn)行張量到矩陣的轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)輸入張量到輸出張量的流式計(jì)算?；谶@一創(chuàng)新思路，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研制一款光子張量處理芯片，在多通道圖像上驗(yàn)證了時(shí)鐘頻率為20 GHz的高速張量卷積運(yùn)算，芯片算力密度為588 GOPS/mm2，后續(xù)通過提升光子器件集成規(guī)模有望達(dá)到1 TOPS/mm2以上。研究團(tuán)隊(duì)利用該芯片構(gòu)建了用于視頻動(dòng)作識(shí)別的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的卷積層在光子張量處理芯片上完成，最終在KTH視頻數(shù)據(jù)集上實(shí)現(xiàn)了97.9%的識(shí)別準(zhǔn)確率，接近理想識(shí)別準(zhǔn)確率98.9%。
上海交大電院消息指出，本研究成果表明光子集成芯片可在超高時(shí)鐘頻率下實(shí)現(xiàn)張量流式處理，解決額外內(nèi)存占用與訪存問題，為構(gòu)建高性能計(jì)算、寬帶信號(hào)處理等先進(jìn)信息系統(tǒng)提供了新技術(shù)途徑。
清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了名為“太極”的光子芯片，其能量效率高于當(dāng)前的智能芯片數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。短短4個(gè)月，清華大學(xué)的光芯片就已經(jīng)迅速進(jìn)化到第二代，世界上第一款全光學(xué)AI芯片太極-Ⅱ了，能效已經(jīng)超過英偉達(dá)著名的H100。這不僅僅是技術(shù)上的突破，更可能是一種新的計(jì)算范式的開始，甚至可能徹底改變計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建方式，這項(xiàng)研究已發(fā)表在8月7日的《自然》雜志上?！蹲匀弧穼徃迦苏J(rèn)為，它有望成為訓(xùn)練光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)廣泛采用的工具。
太極-Ⅱ全光學(xué)AI芯片是在新開發(fā)的全前向模式（FFM）上構(gòu)建的，允許在光學(xué)系統(tǒng)中直接進(jìn)行計(jì)算密集型AI訓(xùn)練，而不需要復(fù)雜的反向傳播過程，是世界上第一個(gè)能夠進(jìn)行“大規(guī)模光訓(xùn)練”的芯片，可以更快、更省電地訓(xùn)練人工智能模型。
香港城市大學(xué)副教授王騁團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)研究人員合作開發(fā)出處理速度更快、能耗更低的微波光子芯片?？蛇\(yùn)用光學(xué)進(jìn)行超快模擬電子信號(hào)處理及運(yùn)算。據(jù)介紹，這種芯片比傳統(tǒng)電子處理器的速度快1000倍，耗能更低，應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋5/6G無線通訊系統(tǒng)、高解析度雷達(dá)系統(tǒng)、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺以及圖像和視頻處理。
另外，IBM光子芯片取得新突破，實(shí)現(xiàn)下一代高速光互聯(lián)技術(shù)，可以顯著改善數(shù)據(jù)中心訓(xùn)練和運(yùn)行生成式 AI 模型的方式，AI速度提升80倍。與目前最先進(jìn)的CPO技術(shù)相比，IBM的創(chuàng)新使芯片制造商能夠在硅光子學(xué)芯片的邊緣添加六倍的光纖，即“海濱密度”。這些光纖的直徑大約是人類頭發(fā)的三倍，長度從幾厘米到幾百米不等，每秒能傳輸太比特的數(shù)據(jù)。IBM團(tuán)隊(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)的組裝封裝工藝，在50微米間距的光學(xué)通道上組裝了一個(gè)高密度PWG，與硅光子波導(dǎo)絕熱耦合。論文還指出，這些具有50微米間距PWG的CPO模塊已通過了制造所需的所有壓力測(cè)試，包括高濕環(huán)境、-40°C至125°C的溫度以及機(jī)械耐久性測(cè)試，確保了光互連在彎曲時(shí)不會(huì)損壞或丟失數(shù)據(jù)。此外，研究人員已將PWG技術(shù)演示到18微米的間距，堆疊四個(gè)PWG可實(shí)現(xiàn)多達(dá)128個(gè)通道的連接。
這一突破延續(xù)了IBM在半導(dǎo)體創(chuàng)新領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，包括首個(gè)2nm節(jié)點(diǎn)芯片技術(shù)、7nm和5nm工藝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、納米片晶體管、垂直晶體管（VTFET）、單細(xì)胞DRAM和化學(xué)放大光刻劑等。CPO技術(shù)為滿足AI日益增長的性能需求提供了新的解決方案，并有望取代模塊外的電氣通信方式。
?02光通信的發(fā)展趨勢(shì):1.6T、硅光、LPO、CPO
光通信領(lǐng)域正加速向高速率、集成化、低功耗方向突破，1.6T、硅光、LPO和CPO四大技術(shù)趨勢(shì)相互交織，共同驅(qū)動(dòng)行業(yè)變革。
1.6T高速光模塊?成為下一代數(shù)據(jù)中心的核心需求，通過3nm制程DSP芯片與硅光技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)單波1.6Tbps傳輸速率，功耗較前代降低40%，支撐AI算力集群的長距離高密度互聯(lián)，但其信號(hào)完整性設(shè)計(jì)和散熱問題仍需攻克。?
硅光技術(shù)?作為底層創(chuàng)新，借助硅基材料和CMOS工藝，將激光器、調(diào)制器等器件集成于單一芯片，顯著降低成本和功耗，成為CPO等先進(jìn)封裝的關(guān)鍵支柱，但硅基激光器效率不足和封裝兼容性問題仍制約其大規(guī)模應(yīng)用。
LPO（線性驅(qū)動(dòng)可插拔模塊）?以“去DSP化”為核心，通過線性直驅(qū)技術(shù)降低50%功耗和30%延遲，保留可插拔特性，在中短距離場(chǎng)景（如數(shù)據(jù)中心架頂交換機(jī)互聯(lián)）實(shí)現(xiàn)性能與成本的平衡，但受限于傳輸距離和專用芯片配套能力。
CPO（光電共封裝）?則更激進(jìn)，通過光引擎與交換芯片共封裝，將能效壓至≤5pJ/bit（降耗70%），支持未來3.2T/6.4T超高速率，結(jié)合液冷散熱可提升單機(jī)架算力密度40%，但高集成帶來的散熱難題和外置光源依賴成為商業(yè)化瓶頸。
從協(xié)同效應(yīng)看，硅光與CPO深度綁定推動(dòng)高密度集成，LPO作為過渡方案填補(bǔ)中短距市場(chǎng)，1.6T則牽引長距帶寬升級(jí)，形成多層次技術(shù)覆蓋。產(chǎn)業(yè)層面，頭部企業(yè)通過“硅光+CPO”組合搶占AI算力高地，而LPO廠商聚焦低成本場(chǎng)景，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心PUE從1.25優(yōu)化至1.12，加速綠色算力落地。這些趨勢(shì)共同指向一個(gè)核心目標(biāo)：在AI與算力爆發(fā)時(shí)代，以更低能耗承載指數(shù)級(jí)增長的數(shù)據(jù)洪流。
?03磷化銦：光芯片的香餑餑？
最后我們來談?wù)劰庑酒娘L(fēng)險(xiǎn)。根據(jù) Yole統(tǒng)計(jì)顯示，到 2026 年全球光模塊器件磷化銦襯底（折合兩英寸）預(yù)計(jì)銷量將超過 100萬片， 2019 年-2026 年復(fù)合增長率達(dá)13.94%， 2026 年全球光模塊器件磷化銦襯底預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 1.57 億美元。
而磷化銦（InP）光芯片制造工藝的核心難點(diǎn)集中在材料特性、制程精度與熱管理三方面。
磷化銦多晶合成需精確控制銦磷原子比（1:1±0.0001）及溫度（±0.5℃內(nèi)），以規(guī)避非化學(xué)計(jì)量缺陷；單晶生長過程易受熱場(chǎng)擾動(dòng)影響，導(dǎo)致位錯(cuò)密度超過1000/cm2，直接影響器件光電轉(zhuǎn)換效率?。
另外，納米級(jí)外延與光柵制造?。量子阱外延層厚度需控制在±1nm以內(nèi)，V/III族氣體流量比波動(dòng)須<0.1%以保證界面陡峭度；分布式反饋（DFB）激光器的二階光柵刻蝕深度公差需≤5nm，否則導(dǎo)致波長偏移超過±0.5nm，難以滿足密集波分復(fù)用（DWDM）需求。
以及，高精度封裝與良率提升?。光纖耦合對(duì)準(zhǔn)精度要求<0.15μm，但焊接應(yīng)力易使VCSEL陣列光斑偏移超0.2μm，導(dǎo)致400G光模塊封裝良率不足75%；而EML激光器的端面反射率需穩(wěn)定在30%-40%，鍍膜厚度誤差超過±1nm將引發(fā)模式跳變?。
總的來說，磷化銦的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為了降低成本并提高生產(chǎn)效率，研究人員正在不斷優(yōu)化制備工藝，并探索新的制備方法。
