硅光技术——“超越摩尔”新曙光 | Alpha充电站
本期我们共探后摩尔时代的重要发展方向——硅光技术。
本文导览：
1. Why now？为什么现在是布局硅光的时点？
2. Who will win？硅光领域群雄逐鹿，谁将脱颖而出？
3. Alpha观点。
微电子技术面临瓶颈以及硅光技术优势明显，使得硅光领域备受关注。微电子技术自1958年第一个集成电路诞生至今，已经遵循摩尔定律发展了60余年。随着微电子芯片集成度不断增加，工艺线宽不断变窄，芯片工艺制程已减小至 5nm以下，微电子技术已经逐渐接近性能极限，摩尔定律放缓，硅光技术作为延续摩尔定律的重要发展方向被寄予厚望。阿里巴巴达摩院发布的2022年十大科技趋势中，硅光芯片是其预测的趋势之一。产业链方面，全球顶级代工厂Global Foundries推出硅光代工平台，誓要成为领先的硅光代工厂，长电科技也预测硅光封装将成为未来的趋势。此前制约硅光技术大规模产业化的多种因素都有所突破，布局硅光正当时。
▶ 高集成度
硅光技术的器件尺寸比SiO2/InP小2-3个量级，集成方式从混合集成发展至单片集成，能够规模化集成核心光电器件。
▶ 低功耗
由于统一工艺材料，避免了不同材料的多个分立器件之间耦合产生的光损耗，获得与传统器件同样的输出功率所需的光源发射功率要低很多，因此硅光模块的功耗也相应降低。
▶ 低成本
硅光技术可以复用成熟的CMOS工艺产业链，传统III-V族光电器件一般仅能够在3-4英寸晶圆上实现，而硅光可使用8-12英寸晶圆自动化生产，大幅提高生产效率；其次，硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试，测试效率显著提升；此外，相比于传统分立式器件，硅光工艺不再需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，采用硅光技术的光模块体积大幅减小，材料成本、芯片成本、封装成本均得到进一步优化。
▶ 性能优异
硅具有优异的波导传输特性，能够显著提升传输带宽与传输距离，大幅提升抗电磁干扰能力。
需求端尚未爆发，供给端公司不成熟，硅光工艺不成熟以及技术难点未突破等因素制约了硅光技术的产业化进程，目前上述几个因素均已经实现突破，海外硅光领域格局基本成熟，少数国产厂商经过数年的技术攻关和工艺迭代，产品已经基本定型，处于量产爆发前夜，布局硅光恰逢其时。
（1）需求端：数据中心流量激增，大带宽和高速率传输技术需求迫切
信息的流动过程包括感知、传输、存储、计算，硅光技术的应用也是如此，以电信和数据中心为核心的光传输市场将最先落地，需求确定性最高，车载雷达、可穿戴设备、健康传感器以及光子计算等领域商业化落地所需的时间更长。
根据第三方机构LightCounting预测，2026年全球光模块市场规模将超过200亿美金，其中硅光模块的占比将达到50-52%。最近两年，LightCounting不断调高对全球光模块市场规模的预测，核心增长动力来自高速光模块需求的持续爆发。
高速光模块需求源于全球数据中心流量的爆炸式增长，据思科全球云预测，全球数据中心流量从2016年的6.8ZB增长到2021年的20.6ZB，网络数据流量每 9-12个月翻一番，光通信设备每2-3年升级一次。由于传统III-V族材料存在速率瓶颈，400G时硅光技术的优势开始凸显，800G时具有绝对优势，在保证带宽和传输距离的前提下大幅降低成本。目前100G硅光模块已成熟应用，400G硅光模块正在进入规模化商用阶段，800G硅光模块已研制成功，下一步将向着1.6T发展。Meta、Google以及微软等数据中心终端客户也非常热衷于硅光芯片的研究与合作，因为硅光技术有望大幅降低数据中心的能耗和成本。
（2）供给端：海外市场格局趋于成熟，国产厂商产业化进程加速
海外市场格局方面，欧美一批传统集成电路和光电巨头通过并购迅速切入硅光领域，海外硅光产业链逐渐成熟，以 Intel、Acacia、Luxtera、Cisco、Marvell为代表的美国公司占据硅光芯片和模块出货量的绝大部分，引领行业发展。
国内硅光产业与海外相比仍处于早期阶段，主要玩家包括光模块厂商和初创公司两类。光模块厂商如索尔思、剑桥科技、中际旭创、亨通光电等纷纷从分立光模块市场切入硅光领域，主要原因包括：首先是成本下降驱动，光模块在大规模上量时价格竞争很激烈，硅光芯片能够帮助降低成本；其次是在2024年后，硅光集成技术的光电共封装（CPO）预计将会成为主流模式，传统光模块生产制造企业将面临较大的技术挑战。但是目前国内多数光模块厂商仍使用海外厂商的硅光芯片，自身在硅光芯片较少布局，成本模型优势不明显，硅光芯片国产替代机会巨大。国内硅光领域的初创公司均成立于2014年以后，主要面向通信和激光雷达方向，例如赛勒科技、奇芯光电以及熹联光芯主要面向光通信领域，国科光芯和摩尔芯光主要切入激光雷达方向，经过数年沉淀，国产厂商的产业化进程逐渐加速。
（3）行业基础设施：生产工艺日趋成熟，硅光技术已进入全面产业化时代
硅光技术产业化在2010年之前发展缓慢的一个很重要的原因是工艺不成熟，因为出货量不大，导致重视硅光工艺的顶级代工厂很少。2015年后，硅光工艺快速成熟，部分顶级代工厂从之前的CMOS产线中开发出硅光产线，使得硅光技术进入全面产业化时代。目前硅光工业流片平台以欧美企业为主，包括美国的Global Foundries、以色列的TowerJazz、新加坡的AMF(前身为IME)、台积电TSMC等。国内产业化能力也逐渐完善，国内的北京中科院微电子所、CUMEC、SITRI等可以对外进行硅光的MPW服务，中芯国际也在进行硅光平台的建设。
其中Global Foundries是全球为数不多的非常重视硅光工艺的顶级代工厂，硅光工艺节点包括90WG 和 45CLO。2015年，Global Foundries收购了IBM微电子业务，获得了大量宝贵的硅光领域研发成果，此后实现了90nm工艺的“产业化”即90WG，并且与Ayar Labs等专注于硅光技术的公司合作持续打磨完善工艺。2022年3月，Global Foundries宣布推出新一代硅光平台GF Fotonix™，致力于解决数据流量激增的问题，为数据中心提供创新解决方案。作为单片平台，GF Fotonix™在业界首先将差异化300mm光子功能和300GHz级别RF-CMOS结合在单个硅晶圆上，从而提供出色的性能。GF Fotonix™通过在单个硅芯片上组合光子系统、射频(RF)元件、 CMOS逻辑电路，将以前分布在多个芯片上的复杂工艺整合到单个芯片。
（4）技术端：单片光电集成技术和先进的封装工艺使得高集成度和高良率成为可能
▶ 单片光电集成
依据用于集成的光电器件的种类与实现方式的不同，光电集成可以分为单片光电集成和混合光电集成两类。单片光电集成是通过在全硅衬底上实现光器件与电器件的制备与集成，混合光电集成是在硅基衬底上通过硅通孔（Through Silicon Via，TSV）或其它三维异构／异质集成技术实现与其它多种光电器件集成。混合光电集成对于系统集成来说，尤其对于核心激光器，InP等III-V族材料是更好的技术选择，但其缺点是成本高、难以实现大规模集成。
单片光电集成作为硅光技术的主要发展方向之一，实现起来有较大技术难度，但具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性高等优势，能够显著降低封装成本并且提高良品率，目前全球已有少数几家硅光厂商掌握这一技术。
▶ 先进的封装工艺
硅光技术的高集成度对芯片的封装技术也提出了更高的要求，硅光芯片的封装精度要求高并且技术难度大，现阶段硅光芯片的封装成本甚至占到了硅光模块总成本的10%左右。开发具有低成本、高可靠性的封装技术是硅光技术大规模产业化面临的挑战之一。目前少数硅光厂商在代工厂的配合下已经探索出更为先进和简洁的封装工艺，能够显著提升封装效率并且降低插损。
数通领域引领硅光市场需求爆发，国产厂商历经数年攻关已经处于量产前夜，全球硅光工艺已经成熟，多个技术难点已取得突破等等，多种利好因素表明目前是布局硅光的最好时机，那么具备什么特质的公司将脱颖而出呢？这需要从国内硅光领域的格局讲起。
国内布局硅光技术的上市公司大都是光模块公司，多数仍使用海外厂商的硅光芯片，自身在硅光芯片较少布局。例如亨通光电和Rockley合资成立光模块公司亨通洛克利，致力于研发和生产硅光芯片与光模块；新易盛通过收购Alpine获得其在硅光模块、 相干光模块以及硅光芯片的研发能力，在推出的400G和800G等高速光模块产品中均使用了Alpine自研的硅光芯片产品。
然而，并购或者合作只是补充有限短板的手段，并不能成为公司技术根基的来源，国产硅光芯片的创新需要具备核心技术壁垒和人才壁垒，否则未来必然会存在技术融合问题，为进一步发展带来巨大阻碍。此外，单纯通过资本运作获取核心硅光芯片技术，涉及知识产权、团队、研发设计流程、理念等多方面的整合，存在很大风险，能否通过并购在技术密集型的硅光产业的长期赛跑中脱颖而出是存疑的。
硅光产品从研发到量产需要解决很多细节问题，目前国内传统模块厂商的硅光产品还存在多种问题，例如集成度不高，外购海外厂商的硅光芯片并不掌握核心技术，以及自建团队进行芯片设计和自行流片导致产品性能指标差、成本模型没有优势等。
国内硅光领域的初创公司选择的技术方案存在差异，商业化进展基本处在同一起跑线上，少数公司凭借单器件的销售略微领先。具备哪些能力的初创公司能够脱颖而出？什么是硅光领域的关键成功因素？鉴往知来，这些问题的答案可以从海外硅光领域标杆公司Acacia的发展历程中获得一些启发。
Acacia成立于2009年，由三位光器件工程师创立，并于2016年成功登陆纳斯达克，凭借技术优势和成本控制能力构筑产品壁垒，成功抓住行业从40G/100G向超过100G转变的机遇。Acacia创新地在光电集成整合电路中使用硅材料，公司的低功耗DSP竞争优势明显，叠加生产制造外包给低成本地区的成本控制能力，使得公司的产品极具性价比和高适配性。Acacia的技术优势和商业化能力获得产业界的广泛认可，于2021年被思科以45亿美金收购。
通过复盘Acacia的发展历程，发现硅光领域标杆公司的关键成功要素包括核心团队经验丰富且执行力极强、掌握并提前布局多个领先技术、供应链掌控能力强。
▶ 核心团队经验丰富且执行力极强
Acacia的三位创始人都曾就职于光通信行业率先推出40G DWDM DPSK光模块的Mintera公司。其中CTO Mikklesn是光通信专业的博士，曾是Mintera的联合创始人，也曾就职于朗讯旗下的贝尔实验室。联合创始人Rasmussen也是光通信专业的博士，是 Acacia的数字信号处理和光学研发总监，曾担任Mintera的首席光学工程师，兼具学术背景和丰富产业经验的核心团队为Acacia持续推出引领行业趋势的产品提供重要支撑。
▶ 掌握并提前布局多个核心技术
Acacia成立之初由100G相干光模块切入，陆续推出行业领先的200G、400G甚至是1.2T可插拔相干光模块产品，不断进行技术创新并提前研发储备行业领先的产品，是其能够在多家初创公司的长期竞争中脱颖而出的重要原因。单点技术突破能够让一家公司完成从0到1，前瞻性的技术布局和人才储备才能实现基业长青。光通信是硅光技术确定性最高的落地方向，之后还可以拓展至生物传感、激光雷达、光计算、光量子等多个领域，目前片上激光器、光电单片集成、CPO等多个技术难点还有待突破，因此率先储备和突破上述技术难点的初创公司有望取得从光通信领域向其他应用领域迁移的先发优势和持续的竞争力。
▶ 供应链掌控能力强
电力系统Acacia具备DSP芯片的设计能力，同时将产品生产外包到低成本地区降低制造成本，强供应链掌控能力使得其毛利率显著高于竞争对手。硅光领域中，供应链掌控能力极其重要，是否和顶级代工厂深度合作直接决定了初创公司的可量产性，仅在中试线或者工艺不稳定的小型代工厂流片的硅光芯片厂商很可能不具备大规模量产的能力，主要由于硅光芯片是模拟芯片，目前已有的PDK和工艺库使得做出样品并不困难，难点在于做出性能优异、成本优势明显并且能够大规模量产的硅光芯片，这就需要和具有量产能力的代工厂深度绑定、反复沟通工艺，并且代工厂必须有意愿和有能力支持初创公司修改工艺。
因此，国内光模块厂商能否通过并购或者合作快速获得核心的硅光芯片技术，在技术密集型的硅光产业中脱颖而出仍存在不确定性。专注于硅光技术的优质创业公司更加值得布局，一旦这些公司大规模生产出高良率、低成本的硅光芯片和硅光模块，将给整个光通信产业链带来巨大的冲击。
Alpha观点
硅光技术是后摩尔时代的核心技术之一，未来应用场景十分广泛，能够从以数据中心和电信为核心的光互联向多个领域拓展。例如，生物传感、激光雷达、光计算、光量子等方向均出现了基于硅光技术的解决方案。此外，随着可插拔模块的升级逐步接近技术极限，CPO成为目前业内认为有望实现最高集成度、最小功耗和最低成本的下一代封装方案，届时硅光技术将具有压倒性优势，CPO是指交换ASIC芯片和硅光引擎在同一高速主板上协同封装，从而降低信号衰减、降低系统功耗、降低成本并实现高度集成。根据第三方数据，可插拔方案下能耗是14-18W，CPO方案的能耗只有5.5W，能耗节省空间巨大，而CPO方案一旦成熟应用可能会使光模块产业链生态发生重大变化。
风物长宜放眼量，硅光是技术密集型产业，当前还面临片上激光器研发难度大、光模块封装成本高、硅光在CMOS工艺上难以完全适应等研发挑战，需要资本长期持续关注，不能唯眼前回报而论。以Intel为例，其发展硅光到现在并没有盈利，但是依然在坚持研发新产品，不断引领硅光技术的新发展。近年来国内厂商紧密跟随，发展也较为迅速，华为海思、希烽光电、赛勒科技等公司在积极研究，某些技术储备已达到世界先进水平，硅光芯片是一个可以“并跑”甚至“领跑”的领域，机遇十分难得，对投资者来说也是很好的投资机会。华兴Alpha持续关注国内硅光领域创业企业的成长机会，已与一些非常有潜力的企业建立合作联系，期待与各位投资人和创始人朋友们交流探讨。
参考资料来源：LightCounting、Acacia官网及公告、《光电集成技术研究综述》、公开资料整理
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