硅光芯片与光互连：摩尔定律撞墙后的破局之路

去年跟晶圆厂的朋友喝咖啡，聊到今年最忙的订单是什么，他放下冰美式说了三个字：硅光。 我之前对这个行业没太当回事，总觉得光互连还是实验室里玩的概念，直到今年算AI算力的功耗账，才惊出一身冷汗——硅光芯片与光互连真的已经站在爆发门口了。

为什么电互连走不动了，非要换光？

摩尔定律撞墙喊了快十年，大部分人都盯着晶体管尺寸往下缩，没人太在意互连这件事。其实卡脖子的早就不是晶体管，是数据怎么在芯片里、芯片之间跑起来。 现在一块高端AI芯片，集成上千亿个晶体管，上百个计算核，核与核之间传数据，全靠传统的铜线电互连。线越做越细，密度越堆越高，问题就来了。 信号串扰。延迟飙升。最夸张的是功耗。 说实话，你去摸一下满载的H100，那温度能摊鸡蛋。这里头一半的热量，都不是计算烧的，是电互连传数据烧的。 电信号的本质就是电子移动，走得越快，发热越多，挤在一起就互相干扰，到带宽超过1Tbps之后，再往上堆，性价比直接崩盘。 光不一样啊。光是光子，不同波长不会互相干扰，传得快，延迟低，功耗只有电互连的五分之一到十分之一。 那为什么早十年不普及？ 原来做光器件，都是用磷化铟、砷化镓这些材料，贵得离谱，也没法跟CMOS工艺兼容，做不了大规模集成，根本撑不起现在的算力需求。 硅光芯片的出现解决了这个问题——用成熟的硅基CMOS工艺做光器件，成本能压到原来的十分之一，还能把光器件、电学器件做在同一块硅片上，直接大规模量产。 电互连与硅光互连性能对比图 去年的国际半导体路线图，已经把硅光互连列为十年内必须突破的核心技术，位置比很多新架构还靠前。就知道这个东西的分量了。

当前硅光产业链的真实进展

不过话说回来，概念喊了二十年，为什么偏偏这两年爆了？ 还能为什么，AI大模型逼的。 现在数据中心的带宽需求，差不多每一年翻一倍，原来的400G、800G电口模块很快就不够用了，现在厂商都在抢1.6T，明年就要上3.2T，这个级别，只有硅光能做出来，还能把成本压下来。 今年OFC光纤通信展上，博通、英特尔都拿出了量产级的1.6T硅光模块，国内的中际旭创、新易盛也跟进了，今年下半年已经开始给海外云厂商送样了。 这可不是实验室样品，是要实打实铺进数据中心的。 除了模块级的光互连，现在片上的硅光芯片光互连也进展飞快，也就是把光互连直接做进芯片内部，替代原来的铜线。IBM去年发布的人工智能硅光芯片，核之间全光互连，计算延迟直接降了四成，功耗砍了一半。国内的中科院、清北的团队，最近两年也出了不少不错的成果，片上集成的光调制器数量已经破了百，带宽做到了Tb/s级别。 数据中心机架硅光互连模块实物图 当然，问题也不是没有。 硅本身是间接带隙材料，天生发光效率极差，现在主流的硅光方案，还是要把III-V族的激光器键合到硅片上，多了一道工序，良率上不去，成本还是比传统电模块高一点，对吧？ 不过最近两年这个问题也在破局，今年上半年有团队做出了室温连续工作的硅基片上激光器，寿命已经达到了商用级别，再过三五年，全硅集成的硅光芯片说不定就能量产了，到那时候成本还能再下一个台阶。

下一个爆发点在哪里？

下一个爆发点在哪里？ 很多人觉得硅光就是做光模块，给数据中心用，其实不是，硅光和光互连的想象空间大得多。 第一个就是先进封装。 现在3D堆叠先进封装，层和层之间的数据传输，原来用的是硅通孔TSV，电互连，堆个十几层之后，线密度一上去，串扰和功耗直接拉胯。如果换成硅光导通孔，也就是用光互连做层间传输，带宽密度能提升几十倍，功耗直接降90%，未来堆个上百层的3D芯片都不是问题。 第二个就是光子计算和全光交换。 现在光子计算之所以被寄予厚望，就是因为硅光工艺成熟了，能把大量光器件集成在一块芯片上，全光交换不需要光电转换，延迟更低，功耗更低，未来不管是AI算力集群还是6G通信，都离不开这个。 我前阵子翻学术期刊，看到国内团队做的硅光片上全光交换矩阵，端口数已经做到了128，插损比原来的方案降了一半多，太惊喜了。 很多人说摩尔定律已经走到头了，其实哪里是到头了，是原来的路径走不动了，要换赛道了。原来靠缩晶体管尺寸提性能，接下来靠互连技术革命提性能，硅光芯片与光互连就是这场革命的核心。 你现在去看半导体大厂的研发投入，硅光的占比每年都在涨，创投圈这两年融资金额翻了好几倍，从材料到器件到封测，全产业链都在动。 再过十年回头看，说不定今天我们追的硅光，就是五十年前人们刚开始做的集成电路。 路已经清出来了。 就等着车子跑起来了。