一个属于硅光芯片的“黄金时代”。
作者 | 来自镁客星球的家衡
随着台积电2nm计划逐渐明朗，这场关于先进制程的多方混战似乎提前宣告结束，但这家半导体巨头的野心似乎远不止于此——在先进封装领域，台积电也是动作频频。近日，据台媒《电子时代》报道，台积电深度参与了一项由英伟达牵头的研发项目，该项目将使用台积电COUPE（紧凑型通用光子引擎）封装技术，将多个AI GPU组合成一块GPU。单看项目本身，这似乎与年初爆火的Chiplet概念大同小异，但整篇报道却指向了另一项技术——硅光子（SiPH）。此外文章还提到，英伟达和台积电的研发项目将持续数年时间，且必须等到硅光子生态系统成熟才算完成。为何两家半导体巨头同时看好硅光子赛道？这项新技术又会给封装领域带来哪些改变？台积电全新封装技术，助力英伟达
对于台积电强悍的芯片制造能力，大多数人都有所耳闻。事实上，台积电在封装领域的布局也毫不逊色。自2012年起，身为晶圆代工龙头企业的台积电开始在封装领域布局，其下CoWoS技术(2.5D)及其后续衍生版本被应用于英伟达Pascal、Volta系列，AMD Vega以及英特尔Spring Crest等芯片产品。此外，台积电推出的InFO(2D/2.5D)、SoIC(3D)等封装技术，同样吸引来大量客户。为了让客户可以根据需求选择合适的封装技术，台积电在2020年第26届技术研讨会上正式将上述封装技术整合为“TSMC-3DFabric”平台。在当时，该平台就已经引入了Chiplet等新概念，为后续新技术的推出奠定了基础。2021年9月，台积电在“3DFabric”的基础上推出了本次合作的“主角”——COUPE（compact universal photonic engine）异构集成技术。简单来说，该技术是将光学引擎和多种计算/控制器件集成在同一封装载板或中间器上，使得组件之间的距离更近，提高带宽和功率效率，并减少电耦合损耗。在相同功率下，使用COUPE封装技术的芯片在功耗和速度上都将大大改善，足以应对网络流量的爆炸式增长。从这里不难看出，COUPE封装技术最大的特点就是降低功耗、提升带宽。对于GPU而言，算力提升背后的代价是功耗的增加。以今年英伟达推出的H100为例，一块PCIe 5.0版本显卡功耗达到了史无前例的700W，相比A100多了整整300W。如果想搭建一套完整的超算体系，那么整个计算中心的功耗控制更是难以想象。在这样的背景下，既然COUPE封装技术可以有效降低GPU功耗，那么英伟达没有理由不去尝试这项新技术。硅光技术，摩尔定律的新解药？
事实上，硅光技术并不是什么新鲜事物，国外早在上个世纪80年代就开始有关硅光技术的研究，硅光产品也已经被多家厂商生产出来并得到应用。例如英特尔、格芯，以及英特尔收购的以色列晶圆厂高塔，他们都推出过自己的硅光工艺平台。但从整体市场来看，硅光产品一直处在不温不火的状态，这让很多人误以为“硅光芯片”是近些年才出现的新鲜事物。首先，硅光产品需要考虑相对高昂的成本问题。受限于大量光学器件，一个硅光器件需要采用各种材料，在缺乏大规模需求的情况下，硅光产品成为一种“高价、低性价比”的产品。同时，器件的性能与良品率难以得到保障。其次，硅光芯片在各个环节都缺少标准化方案。例如设计环节，硅光产品仍需要专用EDA工具（硅光设计工具PDA）进行设计；而在制造与封装环节，类似台积电、三星等大型晶圆代工厂都没有提供硅光工艺晶圆代工服务。即便是已经推出COUPE技术的台积电，短时间内会专注于封装方案，很难匀出产能提供给硅光芯片。最后，从不同厂商的思路来看，它们对于硅光产品的理解也各不相同。以英伟达为例，今年3月份的OFC 2022光纤通信会议上，英伟达首席科学家Bill Dally展示了一套硅光技术连接GPU系统的模型。在这套模型中，英伟达选择用DWDM单模光纤替代有限电缆，构建了连接GPU的交换机。在新模型下，虽然外部激光源占用了大量空间，但由于光的特性，因此设备之间的连接线缆可以更长，最终让整套模型的体积大大降低。从产品思路来看，英伟达将激光信号设在了产品外部，而不是像其他厂商一样将激光器嵌入芯片内部。这一设计想法与硅光子初创公司Ayar Labs十分相似——他们在早期设计产品时决定将光源本身与光子芯片分开。此前，在接受外媒采访时，Ayar Labs总裁兼首席技术官Mark Wade曾指出：“激光器的物理学与CMOS微电子的物理学是相互脱节的；它们不喜欢在高温下工作，会迅速失去能效，其可靠性也会成指数级下降。”图 | Ayar Labs的光学I/O芯片最终封装模块今年6月，该公司正式宣布与英伟达合作开发具有光学I/O的下一代AI运算基础架构，并且在年初，英伟达还参与到Ayar Labs的融资中。从两家公司的描述来看，此次英伟达与台积电的封装技术合作，有极大可能与这项新的AI架构相关。当然，英伟达的产品思路并不代表硅光芯片的最终形态，其他老牌厂商同样有各自的产品思路。例如格芯，在今年3月宣布与博通、思科、Marvell等厂商合作推出新一代硅光平台GF Fotonix，在12英寸的晶圆上，实现光子元件、射频和高性能CMOS的单芯片集成，单根光纤提供高达每秒半太比特 (Tb/s) 的数据速率，这是所有代工厂产品中最快的数据速率。而作为硅光赛道的老大哥，英特尔的产品不仅种类最多，同时也是少数拥有IDM能力的半导体企业。同样是OFC 2022上，英特尔展示了800Gbps的硅光发送器、协同封装光子（co-packaged optics，CPO）技术以及与英伟达不同设计的光学I/O。在国内，同样有多家企业瞄准硅光赛道，例如华为、长瑞光电等老牌企业，也有曦智科技这样的初创企业。结语
去年年底，硅光芯片成功入围阿里巴巴达摩院2022十大科技趋势榜单中。达摩院对此的评价是：“兼具光子和电子优势，突破摩尔定律限制；预计未来三年，硅光芯片将承载绝大部分大型数据中心内的高速信息传输。”在先进制程不断接近摩尔定律限制的背景下，硅光芯片能再次吸引来市场的目光，主要得益于本身出色的特性。而台积电COUPE封装技术的入局，更是让硅光芯片大规模产业化变成了可能。对于台积电自身来说，入局硅光赛道，一方面是先进工艺制造面临越来越多的挑战，因此需要从先进封装入手，寻求突破摩尔定律的解药。恰巧硅光技术是目前能突破限制的手段之一，因此两家半导体巨头的合作显得水到渠成；另一方面，市场对先进工艺的需求有所减缓，而自动驾驶，物联网，AI等新兴领域正在崛起，此次台积电便希望借助COUPE封装技术，来抢占数据中心芯片的市场先机。但总体来看，在整体需求偏弱的情况下，硅光赛道仍要需要新的故事带动整个市场。