随着我国数字经济的蓬勃发展,新一代信息技术间的融合效应渐显,“5G+云+AI”将成为推动我国数字经济持续发展的重要引擎。基于上述背景,我国率先提出了“算力网络” 的概念。
2021年,国家发展改革委等四部门明确提出布局建设全国一体化算力网络国家枢纽节点,加快实施“东数西算”工程。
随后,京津冀、长三角、粤港澳大湾区等地响应号召,相继启动建设国家算力网络枢纽节点,我国“东数西算”工程全面进入建设期。
对此,多份行业研究报告均认为,“东数西算”的数据中心大规模部署必将引爆光通信产业,其中最先受益的就是光芯片及光模块产业。
光通信迭代加快,“旧技术”迎来新发展
光通信系统技术路线的升级依赖于技术的革新,在当前光通信系统和调制格式越来越复杂的情况下,光通信芯片和模块正向800bit/s速率演进,未来还将达到Tbit/s级别速率,迫切需要开发更高集成度、更低成本的光通信芯片和模块。
此时,一项早在上世纪提出的技术,又重新出现在人们的视线中。
硅基光电子技术的发展始于上世纪80年代,Soref发现了晶体硅中的等离子色散效应,为硅基电光调制提供了理论基础。
硅光子技术其核心理念是“以光代电”,即利用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光子技术将硅光模块中的光学器件与电子元件整合到一个独立的微芯片中,使光信号处理与电信号的处理深度融合,最终实现真正意义上的“光互联”。
硅基光电子技术拥有光的极高带宽、超快速率和高抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能耗、低成本等方面的优势,更适应未来高速、复杂的光通信系统。同时可以满足长距离数据传输以及微电子芯片间的短距离大容量数据传输,通过与微电子集成电路进行单片集成,实现高速、低功耗的片上互连,突破微电子处理器在数据互连上的瓶颈。
去年年底,阿里巴巴达摩院发布了2022十大科技趋势,分别是:AI for Science、大小模型协同进化、硅光芯片、绿色能源AI、柔性感知机器人、高精度医疗导航、全域隐私计算、星地计算、云网端融合以及XR互联网。
其中,硅光芯片异军突起,在芯片领域引领了一场变革,融合光子和电子优势,突破摩尔定律限制,满足人工智能、云计算带来的爆发性算力需求。预计未来三年,硅光芯片将承载大型数据中心的高速信息传输。
光芯片借力数据中心建设成为新热门
光芯片是光通信系统中的关键核心器件,硅光芯片作为采用硅光子技术的光芯片,是将硅光材料和器件通过特色工艺制造的新型集成电路。硅光集成优点主要包括了低功耗、高集成度体积减小,通过光子介质传输信息因而连接速度更快,同时,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。
硅基光电子技术具有集成度高的优势。但同时,高集成度对芯片的封装技术也提出了更高的要求。硅基光电子芯片的封装对精度要求高、技术难度大,现阶段硅基光电子芯片的封装成本甚至占到了硅基光电子模块总成本的 10%左右。开发具有低成本、高可靠性的硅基光电子芯片封装技术是硅基光电子大规模产业化面临的挑战之一。
数据中心是光通信产业的重要市场,是承载数字计算力、各行业信息系统的基础保障设施,也是促进各行各业进行产业升级的关键动力。对比普通光模块,硅光模块具有低功耗、高集成和高速率等优势,对于需要大量使用光模块的数据中心而言,硅光模块最显著的优势就是低成本。
如果硅光芯片在数据中心领域得以广泛部署,那么以硅光子为核心的光计算将有可能带动神经网络的进步,进而影响数字经济的发展。
硅光产业潜力初现,各大厂商争相布局
根据市场研究机构Yole的数据,到2026年,预计硅基光电子技术的产业总体市场规模将快速增长至11亿美元。硅光技术广阔的市场前景,也吸引了各大公司在相关技术研发上加足马力。
月初,格芯就推出新一代硅光解决方案,与行业领导者合作共同应对数据中心当前面临的严峻挑战;作为光模块龙头之一的新易盛也发布公告声明将深入参与硅光模块、相干光模块以及硅光子芯片技术的市场竞争。
熹联光芯成功并购行业领先的硅光新锐德国Sicoya公司,总投资20亿元在张家港设立国内第一家拥有完全知识产权的中国硅光集成电路领军企业,建设国内第一条硅光芯片及封测生产线,并已实现100G光模块规模化量产,400G光学引擎及光模块也已进入送样认证阶段。
Marvell公司宣布其用于数据中心的400G DR4硅光子平台解决方案实现量产,平台基于硅光子技术,将帮助扩展云数据中心架构,以满足新兴人工智能和机器学习应用日益增长的带宽需求。
思科、华为、Ciena、Juniper等巨头也纷纷通过收购布局硅光技术,立志将硅光技术应用于千亿级的IC市场。
当前,我国高速光芯片发展形式还不容乐观,根据工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018—2022年)》指出,目前我国高速率光芯片国产化率仅3%左右,而硅光芯片的到来有望打破这一局面。
去年,国家信息光电子创新中心、鹏城实验室、中国信息通信科技集团光纤通信技术和网络国家重点实验室、武汉光迅科技股份有限公司,在国内率先完成了1.6Tb/s硅基光收发芯片的联合研制和功能验证,实现了我国硅光芯片技术向Tb/s级的首次跨越。展现出硅光技术的超高速、超高密度、高可扩展性等突出优势,为下一代数据中心内的宽带互连提供了可靠的光芯片解决方案。
硅光技术日新月异,各地也相继出台方案,明确将发展硅光产业作为建设重点,上海市提出发展光子芯片与器件,重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用,对光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。湖北省、重庆市、苏州市等政府也紧随其后将硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。
5G时代,对芯片传输速率和稳定性要求更高,使得密集组网对硅光芯片的需求大增。在消费电子领域,智能传感、移动终端等产品均可利用硅光技术在有限的空间集成更多的器件;在量子通信领域,由于硅光技术保密性强、集成度高、适合复杂光路控制等优势,有望成为量子通信的重要技术方案。可以预见,随着技术的成熟,硅光芯片在数通领域和消费电子领域的需求将迎来一轮大爆发。
