

华为、阿里都在布局，硅光技术为何如此重要?

光电汇OESHOW

2024-09-14

前言

在摩尔定律的推动下，集成电路技术已接近其物理极限。同时，随着人工智能、通讯技术、自动驾驶等领域对计算能力需求的指数级增长，我们又到了一个关键转折点，迫切需要一场新的信息革命——光子革命。

相较于电子，光子在信息传递上拥有无可比拟的优势：它们具有更高的速度、更强的并行处理能力、更宽的带宽以及更低的信号损耗。我们有理由相信，光子将引领我们进入一个全新的时代，这必将是人类科技发展史上的又一次重大飞跃。

全球光子产业展望

当前，信息产业的核心技术处在“从电到光”的转换过程，光（电）子产业已经成长为一个庞大的经济产业，其发展呈现出三个重要的趋势。

第一个趋势是，市场规模和增速仍在持续扩大。据国际光学工程学会（SPIE）的统计分析，2023年光电产业增长超过2.39万亿美元。尤其是2013年-2023年这10年内，光电产业增长了40%，年复合增长率（CAGR）为4.3%。

预计到2024年，光子元器件的收入将达到3790亿美元，光学产品和服务的市场规模每年在7万亿到10万亿美元之间波动。随着相关技术的推广普及，每年光科学和应用约16万亿美元，这意味着光科学和应用约占世界经济的15%以上。

第二个趋势是，随着产品向终端用户靠近，其经济价值和市场潜力也随之增加。

在对光电产业进行深入评估时，我们必须全面审视其价值链的每个环节，这一链条从原材料开始，经过一系列增值工艺，最终转化为市场上的成品。它不仅涉及玻璃和半导体基板等基础材料，还包括光学元件、子系统，直至最终的光子学产品和依赖光子学技术的各种支持产品。

目前，该产业可被细分为多个关键领域，包括消费电子、国防、显示技术、照明、通信、半导体制造、传感技术、光伏能源、先进制造以及生物医学等十大细分市场。数据显示，光通信领域以43%的增长率领先，其次是显示技术领域的25%，先进制造领域的8%，以及生物医学领域的5%。

增长率不仅揭示了各细分市场的当前表现，也为我们提供了关于未来发展趋势的重要线索。尤其是光通信领域，得益于数据中心、智能汽车、5GtoB等应用场景的扩展，光通信解决方案的需求不断增长，推动了行业的快速发展。

第三个趋势是，全球光子元器件行业的分布呈现出“中小企业（SMEs）主导创新，大型企业创造行业收入”的特征。

据2022年数据显示，约84%的光子元器件制造商属于中小企业范畴，年收入低于5000万美元。至2022年，全球约有4706家公司活跃在此行业。其中，亚洲以52%的企业数量占比领先，其次是欧洲（25%）和北美（22%）。另一方面，大约5%的公司，如三星、康宁、尼康和卡尔蔡司等，创造了行业85%以上的总收入。

值得注意的是，尽管随着时间的推移，中小型公司会逐渐成长，其在行业生态图中的位置也会相应上升。然而，并非所有公司都能经历这样的成长轨迹。一些公司可能会退出市场，一些被收购，还有一些可能因创始人退休而关闭。这些动态反映了市场的自然选择和经济周期的波动，也是行业健康发展的自然组成部分。

从更为宏观的层面（即经济体或国家）来看，光子产业的发展已经成为国家战略竞争的一个关键点。为了确保在这一关键技术领域的领先地位，各国政府已经制定了一系列计划和战略，旨在推动光子技术的创新和产业化。

美国方面：美国政府高度重视光子产业的发展，认为这是维持其全球科技领先地位的关键因素。在这一领域，美国集成光子制造研究所（AIM Photonics）获得了显著的投资，这反映了美国在推动集成光子技术研究和产业化方面的重视。

欧盟方面：欧盟已经将光子技术作为其“地平线2020”计划的一部分，这是一个广泛的研究与创新框架计划，涵盖了多个科技领域。此外，欧盟通过电子元件和系统联合承诺（ECSEL JU）等年度战略计划，进一步支持光子技术的发展。

日韩方面：两国在积极投资光子技术的研发，以保持其在全球光电子产业中的领先地位。他们的投资反映了对光子技术作为未来经济增长驱动力的认识。

中国方面：中国对光子产业的推动计划尤为显著，特别是在陕西省推出的“追光计划”。该计划是国内首个以顶层设计的方式布局光子产业的省份，目标是形成全生态体系，并打造全球光子技术原始创新高地。目前，该计划已升级至2.0阶段，并启动了“跃迁行动”，这标志着中国在加速实现打造千亿级光子产业集群的战略目标上的决心。

上述计划和战略的实施，不仅展示了各国对光子技术重要性的认识，也体现了它们在全球科技竞争中寻求领导地位的雄心。

最有潜力新赛道之硅光集成

为什么是硅光？

随着万物互联时代的到来，我们正目睹数据流量的爆炸性增长。在人工智能生成内容（AIGC）、超级计算中心以及扩展现实（XR）商业化应用的快速发展背景下，对算力基础设施的需求呈现出指数级增长，这已成为一个不可逆转的趋势。

特别是超级计算中心内部服务器间的高速互联需求日益迫切，预示着数据传输速率将从千兆每秒（Gbps）向太比每秒（Tbps）跨越。在这一背景下（依据香农定律，这要求我们拥有更宽广的带宽），硅基光子技术的发展显得尤为重要。

硅基光子技术的核心理念在于实现“光电融合”，如硅或与硅工艺兼容的材料，与现有的CMOS工艺相结合，以开发光电子和电子功能器件的方法。这些器件能够在同一个衬底上进行大规模集成，形成具备综合功能的新型集成电路单元。

这种集成化方法旨在全面实现光子的发射、传输、探测和处理，进而推动光通信、光互连、光计算和光传感等领域的革新。

自二战结束以来，硅基光子技术取得了长足的发展。Richard Soref博士在1987年为美国空军开发了第一个硅波导。1998年Bookham（波科海姆）是第一个开发硅光的企业，但直到2008年，Luxtera（现在的思科）第一个开始销售硅光收发器。如今，硅基光子技术现在到了一个重要的拐点，尤其是在数通市场急剧增长，同时拉动其他领域新的发展和应用。

主流的集成光子体系有三个：一是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料衬底上的单片集成；二是硅基光子集成；三是铌酸锂光子集成。

基于Ⅲ-Ⅴ族化合物的小规模单片集成已经商业化成功，但无源波导损耗较大限制大规模集成，且因为材料本身属性问题只可适应特定波段应用，整体工艺复杂，性价比不足。铌酸锂在非线性、电光效应方面性能优异，但由于铌酸锂具有稳定的物理与化学特性，无法采用类似半导体光刻技术实现精密刻蚀，工艺尚不成熟。

反观硅基光子集成，其发展最大优势是：1）与CMOS工艺的兼容性，以致其工艺成熟度高，经济效益高；2）在未来很长一段时间，光子集成与电子集成互为补充；3）尽管硅光工艺尚未达到硅基先进制程的实现水平，但该领域并未面临设备瓶颈问题。

正是凭借在上述应用潜力，硅基光子正逐步展现出形成巨大市场的能力，这种技术的潜力主要体现在三个关键应用领域：光通信、光计算和光传感。

硅光通信

自光纤发明以来，光通信一直是信息产业的重要支柱。过去，提高光纤链路的频谱效率主要是通过改进调制格式来实现的。然而，由于带宽和噪声以及光纤的非线性所带来的基本限制日益临近，信息产业面临着研发工作的回报率越来越低的问题，即使有大量的波长通道，也很难提高单链路的性能。

与此同时，在芯片算力性能经历指数级增长的同时，对于训练和推理任务的参数需求也随之增加，直接推动了对网络和访存性能同步提升的迫切需求。为了实现带宽的质的飞跃，必须依赖于网络技术的迭代升级。

光通信的发展受制于交换机的端口成本与光学成本之间的关系。在10 G时，光学成本约占整个BOM成本的10%，而端口+ASIC成本约占90%。到了100 G，这一比例接近50%，原因是ASIC所提供的带宽容量（capacity）已经大大提高。15年前交换机是40 G带宽容量，如今单个ASIC就提供50 T带宽。从40 G到50 T的扩展，极大地节省了端口的单位比特成本。

但光学成本的下降速度没有那么快，因为光学不仅仅是硅，还有各种元器件、分立器件、DSP、激光器，这是一个复杂得多的组件。其结果是，光学元件在总成本中所占比例越来越大。因此在100 G时，光学元件约占成本的50%，而在400 G和800 G时，光学元件接近总成本的70%——这也是“米70”定律所揭示的必然趋势（中科创星创始合伙人米磊博士认为，光学技术会是未来科技一项非常关键基础技术，其成本会占到未来所有科技产品成本的70％）。

因此，硅光通信技术之所以在现代通信领域中显得尤为重要，是因为它在速度、功耗、成本、集成度、抗干扰能力等多个关键性能指标上提供了显著的优势。

随着光模块和共封装光学（CPO）技术的发展，硅光技术在实现高速互联方面的潜力愈发明显，随着800 G至1.6 T，甚至3.2 T的技术迭代，这一周期已显著缩短至1至2年。此外，硅光方案的加速渗透已成为行业内一个重要且持续的趋势。

例如，中科创星投资的硅光通讯企业「雨树光科」可为800 G-DR8和LPO（线性可插拔光学）光模块提供的800 G硅光解决方案，目前800 G-DR8解决方案已经在模块中完成了验证，LPO解决方案的验证正在进行中。

再例如，「希烽光电」（SiFotonics）在2024年举办的49届OFC推出800 G/1.6T AI/DC，800 G相干和25 G/50 G PON硅光新产品，可用于相干通信、数据中心、5G等领域。

可以预见的是，硅光通信将成为未来通信网络的关键驱动力，其影响力和应用范围将会不断扩大，从而在全球通信领域内扮演一个更加核心的角色。

硅光计算

高性能计算对我们的日常生活至关重要。例如，“精准的”天气预报可以降低产业和生活风险，对运输、农业和许多其他领域都至关重要；再例如，分子模型有助于预测未来药物的特性。这些背后都需要强大的人工智能提供支持。

然而，随着ChatGPT等人工智能应用的广泛普及，对强大算力的需求持续增长，对现有硬件技术提出了巨大挑战（根据OpenAI的统计数据，自2012年起，人工智能的算力需求每3至4个月就会翻倍）。

反观电子芯片，正逐渐逼近摩尔定律所预测的性能增长极限，这使得传统的半导体技术难以满足高性能计算领域不断增长的数据吞吐量需求。

为了突破电子计算机发展瓶颈，实现计算机低功耗、高性能的运算需求，人们将研究方向转向了光子计算机。

光子技术在计算机中的应用包含两个层次：一个层次是利用光子作为传输信息载体的光互连技术；另一个层次是直接在光域实现信息的处理和运算。

具体来看，硅光芯片用光子替代电子进行传输，可以承载更多信息、传输更远距离，同时光子彼此间干扰少，能够提供相较于电子芯片高两个数量级的计算密度和低两个数量级的能耗，能够作为突破传统微电子计算极限的解决方案。

特别是基于马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪的光学矩阵乘法方案，展示了硅基光子技术在加速AI计算中的潜力。这种方案利用光的波长复用和低损耗特性，能够在保持能效比的同时，大幅提升数据的处理速度。

例如，中科创星投资企业「曦智科技」在2021年成功推出了其新一代光子计算处理器PACE。在PACE光子芯片中集成了超过1万个光子器件，芯片运行速度1 GHz，特定循环神经网络的运行速度可达目前高端GPU的数百倍。

另一家企业「光子算数」致力于光计算芯片业务，其核心产品光电混合GPU加速卡基于光+GPU芯片深度融合研发，可用于智慧金融、智能制造、智慧城市等行业领域，目前已经推出了光电混合AI加速计算卡，并完成包括机器学习推理、时间序列分析等特定任务。

“能耗显著下降+速率大幅提高”带来的是更卓越性价比。

硅光传感

除了在光通信、光计算领域的作用外，在其他商业领域如光传感、医疗健康和激光雷达等领域硅基光子的价值也逐渐显现，一个接一个应用得以落地。

激光雷达能否成功大规模商用，核心点要依赖光学扫描和光学测距两部分的成本、体积和性能。考虑到成本和稳定性，大多数激光雷达预计将采用硅光固态技术，尤其是采用“OPA+FMCW（调频连续波）”技术的方案，被看作是未来自动驾驶车辆的关键技术。这种技术以其纯固态构造、成本效益、高灵敏度和抗干扰能力而备受推崇。

例如，中科创星投资的「洛微科技」于2021年发布全球单颗集成度最高的硅光FMCW激光雷达芯片，2022年开发了多通道并行的硅光FMCW激光雷达芯片。据相关消息，基于「洛微科技」自研芯片技术开发的硅光FMCW 4D激光雷达F系列也将于今年上市。

此外，硅光技术在消费电子和生物医疗领域的应用也备受期待。硅光芯片能够快速且超灵敏地检测多种关键生物标志物，加之其低成本和批量制造的优势，使其成为DNA、葡萄糖、分子和细胞分析传感器的理想选择。

例如，苹果公司正在与美国Rockley Photonics公司合作开发基于硅光子技术的“穿戴式诊断”模块，预示着未来智能手表等电子设备可能具备更多保健功能。同时，Bialoom公司也在进行硅光子生物传感器技术的研究，旨在制造出高性能且经济的生物芯片，用于检测感染。

尽管硅光技术在消费电子和生物健康领域的应用仍处于初期探索阶段，但其市场潜力可能远超电信和数据中心领域的总和，为相关企业和投资者提供了广阔的想象空间。

全球硅光产业布局情况

据Yole的统计数据，预计2028年全球硅光芯片市场规模增长至6.13亿美元，CAGR为44%，其中数据中心市场为5.68亿美元，NPO/CPO市场规模为300万美元，光互连I/O市场规模为0.14亿美元，CAGR为21%，光计算市场为0.05亿美元。

正因为硅光技术的广泛应用潜力和市场前景，全球科技大国和行业巨头均在此进行了重要的战略布局。

美国方面：DARPA在2004年推出EPIC（Electronic and Photonic Integrated Circuits on Si）计划；2015年成立的美国集成光子研究所（AIM Photonics，原IP-IMI）旨在开发新型快速的光子集成制造技术和工艺方法，由55家公司、20所综合性大学、33个学院和16个非营利组织构成。AIM已经建立相对完整硅光生态，包括工艺平台、设计软件生态等。

欧盟方面：欧盟早在2006年成立欧洲硅光子联盟ePIXfab，致力于支持欧盟建立全球硅光子供应链；目前，欧洲已有比利时IMEC、法国LETI、德国的IHP、芬兰的VTT以及英国的Rockley等硅光工艺平台。

日本方面：2010年，日本开始实施尖端研究开发资助计划（FIRST），该计划由日本内阁府提供支援；光电子融合系统基础技术开发（PECST）是FIRST计划的一部分，以在2025年实现“片上数据中心”为目标，10年内投入300亿日元。

中国方面：相比而言，我国在硅光方面布局较晚，尤其在基础能力建设方面需整体规划加大战略部署。2016年西安光机所牵头中国科学院先导计划，布局大规模光子集成技术；2017年，工信部正式批复同意武汉建设国家信息光电子创新中心，汇聚了国内信息光电子领域超过60%的创新资源；同年，上海市将硅光子列入首批市级重大专项，布局硅基光互连芯片的研发和生产，硅光产业生态已初步形成。2021年，硅基光电子材料及器件的研发已明确写入《北京市“十四五”时期高精尖产业发展规划》。

细化到行业内，领先企业如英特尔、思科、英伟达、Coherent和Marvell等，已经建立了从光子集成电路（PIC）设计到芯片封装及模块集成的全面能力。这些公司在供应链管理、产品推出速度以及市场占有率方面均展现出显著优势，已成功推出多款基于硅光技术的创新产品，并在行业内确立了领导地位。

相较之下，国内企业进入硅光领域的时间较晚，与国际巨头在技术研究和产品开发方面存在一定差距。尽管如此，包括光迅、阿里、海信、旭创和新易盛在内的国内企业，已经推出了各自的硅光产品，显示出国内硅光产业的活力和追赶潜力。

值得注意的是，台积电等行业领先的代工厂已经加入硅光产业链，并与主要厂商签订了合作协议。这一现象预示着硅光产业正逐步由单一厂商主导的模式转向更加专业化的代工厂模式，这有望加速硅光工艺性能和良率的提升。