摩尔定律的“火”要轮到硅光芯片来传？
文章转载自“未名科创”
台积电的硅光子技术有望在2025年放量产出。
作者｜张砾砾
编辑｜巩周周
出品｜未名科创
“我们可能处于一个新时代的开端。如果能够提供一个良好的硅光子整合系统，就能解决能源效率和 AI 运算能力两大的关键问题。这会是一个新的范式转移”，台积电的副总余振华这样评价硅光子技术的意义。
一直以来都有台积电计划研发硅光子技术的传闻。近日，更是不断有业内爆出更具体的消息。知情人士称，台积电将携手博通、英伟达等大客户共同研发硅光子技术、共同封装光学元件等新产品。
爆料还称，硅光子的制程技术已经从45nm延伸到7nm，最快在明年下半年迎来大单，2025年有望迈入量产阶段。台积电已组建了一支超过200人的团队，专注于将硅光子技术导入 CPU、GPY 等计算制程当中。
01
硅光子成为摩尔定律的“解药”？
硅光子技术是一种利用硅材料制造光电子器件的技术。它结合了硅材料的优势，如成熟的制造工艺、低成本、高集成度等，以及光子学的优势，如高速传输、大带宽等。而硅光芯片就指是在硅的平台上，将传统芯片中的电晶体替换成光电元件，使用光讯号进行传导的芯片。
阿里巴巴达摩院曾在2021年年末发文列举了可能改变人们生活的“十大技术发展趋势”。其中除了今天人们耳熟能详的人工智能、元宇宙、自动驾驶，云计算等，也包括了硅光芯片。
实际上，上世纪80年代就出现了“硅光子”的概念和相关研究，但相较于传统芯片的高速发展，硅光芯片一直处在不温不火的状态。而近年来硅光技术获得越来越多的关注，很大程度上是因为摩尔定律正在失效。
摩尔定律是英特尔联合创始人戈登·摩尔对半导体行业创新的预测，即芯片中集成的晶体管数量大约每18到24个月翻一番，同时价格下降为之前的一半。然而，从7nm时代开始，微电子器件的小型化带来了集成电路的互联延迟及能耗问题很难解决，芯片行业似乎触碰到了物理极限。比如英伟达的CEO黄仁勋就曾多次公开表示：“摩尔定律结束了。”
在这种情况下，很多人把硅光子技术称作摩尔定律的“解药”。与电子相比，光子没有静止质量，光子之间的干扰相对更弱，光的不同波长可用于多路同时通信。因此，光子作为信息载体可以实现更大容量、更远距离、更快速度的信息传输。
上世纪，科学家曾一度寄希望于研发光子芯片，但随后发现制造用于光子芯片的纳米级光学器件难以实现，而且光的集成度也达不到现有微电子集成电路水平。经过不断的探索，人们发现，基于成熟的互补金属氧化物半导体工艺，在传统硅芯片上集成光电器件难度不算大。而基于此构想的硅光芯片可同时具备高计算密度与低能耗的优势，为芯片领域，因而有可能突破摩尔定律的限制。
进入新世纪后，硅光相干收发器、硅光收发模块、微波光子链路等光子器件相继问世。2010年，英特尔开发出首个硅基集成光收发芯片，硅光芯片开始进入产业化阶段。随后，半导体领域的各大巨头也纷纷进入硅光子领域抢先布局。
02
AI时代提出对芯片的更高要求
任何一项新技术的诞生、发展都不可能一蹴而就。目前硅光技术受限于光源、调控、光子器件研制等技术难题，目前还处于“量少价高”阶段。
北京邮电大学教授李培刚在采访中介绍说，硅光技术发展可以分为 3 个阶段：第一。用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；第二，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再通过不同器件的组合，集成不同的芯片；第三，把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。
李培刚认为，目前硅光技术已经发展到了第二阶段。虽然，硅光芯片即将进入规模化商用阶段，但是仍存在需要突破的技术瓶颈，如设计工具非标准化、硅光耦合工艺要求较高以及晶圆自动测试及切割等技术。
硅光技术正在走向成熟，与此同时，今年的生成式AI狂潮也给半导体行业提出了新的挑战。
AI的发展离不开算力，而影响算力是处理器、存储和网络带宽都高度依赖于不同种类芯片的性能。比如在处理器领域，训练ChatGPT就需要用上万枚英伟达的A100GPU芯片。任何想入局大模型的企业，也会把“囤芯片”视为首要任务。
目前最先进的英伟达A100，H100芯片已经达到了千亿级别晶体管的极限，而不差钱也不差芯片的ChatGPT、GPT-4依然时不时传出算力告急导致聊天机器人反应变慢的消息。芯片行业内有越来越多人认为，当下需要通过 3D 整合互连，用多个小芯片实现更低的成本、更高数量的晶体管。
台积电的董事长刘德音就表示，“AI 模型的训练带动了算力与内存的高需求，也让半导体面对从异质整合到整合 Chiplets的趋势”。Chiplets是当前芯片行业最流行的技术，它可以将大型单片芯片划分为多个相同或者不同的小芯片，这些小芯片可以使用相同或者不同的工艺节点制造，再通过跨芯片互联和封装技术进行封装级别集成。
面对新的挑战和行业趋势，硅光子是全球最大晶圆代工厂台积电给出的方向。台积电的副总裁余振华表示，一个更好、更集成的硅光子系统是运行大型语言模型和其他人工智能计算应用程序所需的强大计算能力的驱动力。
余振华介绍到，公司正在研究利用其独家研发的先进芯片堆叠和封装技术构建集成硅光子学系统的芯片制造技术。但是也表示，这样一个结合和连接硅光子和不同类型的芯片的集成化系统仍在开发和试生产中，尚未进入大规模量产。
相关研究显示，硅光芯片未来潜在市场超数千亿美元。当前的硅光芯片产业与上世纪 80 年代微电子芯片产业发展阶段相同，正处于布局产业链的关键阶段。占据芯片代工行业“半壁江山”的台积电是否能在新的赛道继续保持绝对优势，还需要人们进一步的观察。
来源：未名科创
—往期推荐—
推荐关注