市场研究机构Yole Intelligence表示，2022年，硅光芯片市场价值为6800万美元，预计到2028年将超过6亿美元，2022年—2028年的复合年均增长率为44%。推动这一增长的主要因素是用于高速数据中心互联和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学习的800G可插拔光模块。
硅光为何“令人相信”？
用CMOS技术（也就是硅光子学）制造光子电路不仅提供了半导体晶圆级制造的规模，还利用光在计算、通信、传感和成像方面的特性在新电子应用中发挥了优势。
由于这些原因，硅光子学越来越多地应用于光学数据通信、传感、生物医学、汽车、虚拟现实和人工智能 (AI) 应用。直到最近，硅光子学的主要挑战一直是添加作为光子电路“电源”的分立激光器的成本，其中包括制造以及这些激光器在光子芯片上的组装。
光可以表现得像波或粒子，并且这种行为是可以操纵的。“光学”一词是指对光的研究，通常用于谈论人眼可见的光（例如，头灯发出的光、放大镜等透镜反射的光等）。“光子学”一词是指以小得多的尺度（小于几微米）反射或操纵光的系统。集成光子学是指使用半导体技术和在洁净室设施中处理的晶圆来制造光子系统。如果所使用的制造工艺非常类似于CMOS制造，那么它就被称为硅光子学。
换句话说，硅光子学是一个材料平台，可以使用绝缘体上硅（SOI）晶圆作为半导体衬底材料来制造光子集成电路（PIC）。这项技术变得比以往任何时候都更加流行和可行，这是有一个重要原因的。
最初，集成光子学开始使用掺杂石英玻璃、铌酸锂或磷化铟等材料作为材料表面，特别是对于电信和长途数据通信应用。然而，绝大多数半导体行业使用硅作为主要材料来创建集成CMOS电路，实现了非常高的产量和低成本。光子学的物理特性使其非常适合使用旧硅节点上使用的CMOS工艺来图案化和制造光子器件和电路。使用成熟的制造工艺为大规模生产开辟了一条经济可行的道路，因此，集成硅光子学已经起飞。
如今，硅光子学已经利用成熟的CMOS制造和设计生态系统来开始构建集成光子系统，该生态系统已被证明在规模化方面非常具有成本效益。
硅光计算芯片是AI芯片国产化和弯道超车的有效途径
当前，大模型训练和推理的硬件以通用图形处理单元（GPU）为主，2022年全球GPU市场规模达到448.3亿美元，美国AI芯片巨头英伟达公司占有80%的市场份额并仍在持续攀升。目前，中国仍以英伟达的产品作为主流算力平台，只有较小规模的算力来自国产神经网络加速平台。英伟达向我国提供的AI芯片是传输带宽受限的特别版本，使用该版本GPU组成的超算集群的训练和推理效率均落后于国外同期产品。因此，算力基建亟需向自主可控的国产化迈进。
寒武纪、燧原科技、壁仞科技和昆仑芯等国产AI芯片厂商，均提供了深度学习训练和推理的专用芯片，其主要使用专用集成电路（ASIC）硬件架构，用于特定算法或应用场景的优化，计算能力在特定情况下优于英伟达产品，但通用性、灵活性有待提升。基于电子计算的AI芯片的国产化之路受技术封锁影响仍需突破重重阻碍，尤其是受限于先进工艺制程，国产同类芯片在能耗、算力、带宽等方面难以在短期内赶超。此外，电子计算技术还存在固有的计算延时高和内存墙等问题。
光子器件具有高速、大带宽和低功耗的特点，在信息传输和处理方面具有重要优势，而且光信号可以在光子器件中并行传输和处理。这使得光子计算可以更好地实现海量数据的高效处理，也可以避免电子信号传输带来的噪声和时延等问题，更好地实现高带宽的传输互连，从而为大模型提供关键支撑。此外，与最先进的电子神经网络架构及数字电子系统相比，光子计算架构在速度和能效上优势突出。因此，光子计算能够有效突破传统电子器件的性能瓶颈，满足高速、低功耗通信和计算的需求。需要指出的是，光子计算的发展目标不是要取代传统计算机，而是要辅助已有计算技术在基础物理研究、非线性规划、机器学习加速和智能信号处理等应用场景更高效地实现低延迟、大带宽和低能耗。
硅光计算芯片通过在单个芯片上集成多种光子器件实现了更高的集成度，还能兼容现有半导体制造工艺，降低成本。光子计算芯片包括激光器、光波导、光调制器、光探测器等主要元件，运行过程大致如图1所示：激光器产生的光，经过光波导传输到光调制器实现对光信号的控制和处理，最后传输到光探测器将光信号转换为电信号，再进行后续的处理和输出。
光子计算芯片利用成熟的硅基工艺平台（产业界通常为45——180nm制程），有望在短期内实现低功耗、高性能的计算系统，解决后摩尔时代AI硬件的性能需求，突破冯·诺依曼架构的速度和功耗瓶颈。因此，硅光计算芯片是实现AI芯片国产化和弯道超车的有效途径。
芯片巨头纷纷布局
“硅光芯片并非取代传统的集成电路技术，而是在后摩尔时代，帮助集成电路扩充其技术功能。此外，由于硅光芯片是基于硅晶圆开发出的光子集成芯片，因此硅光芯片所需的制造设备和技术与传统集成电路基本一致，技术迁移成本较低，这也成为了硅光芯片得天独厚的优势。”李志华说。
基于此，硅光芯片也有了更多的市场需求。国际半导体产业协会(SEMI)预测数据显示，2030年全球硅光子学半导体市场规模预计将达到78.6亿美元，预计复合年增长率将达到25.7%。
与此同时，硅光芯片也成为全球芯片巨头竞争的另一关键赛道。
台积电此前在硅光芯片领域主推名为COUPE（紧凑型通用光子引擎）的封装技术，其最大的特点是可以降低功耗、提升带宽。有消息称，台积电计划将该技术用于与英伟达的合作项目中，尝试用该技术将多个英伟达GPU进行组合。此外，若此次台积电能如愿与博通、英伟达等大客户共同开发硅光芯片技术，也将会集合各方的技术优势和资源，推动硅光芯片的大规模量产。
另一芯片巨头英特尔也致力于发展硅光芯片技术。例如，英特尔提出的光电共封装解决方案使用了密集波分复用（DWDM）技术，能够在增加光子芯片带宽的同时缩小尺寸。英特尔还提出可插拔式光电共封装方案，该方案是利用光互连技术，让芯片间的带宽达到更高水平。同时，英特尔还在研发八波长分布式反馈激光器阵列，以提升大型CMOS晶圆厂激光器制造能力，实现光互连芯粒技术。
国内专业“光芯片”主要厂商
源杰科技：IDM全流程业务体系
源杰科技公司成立于2013年，是国内少数几家具备芯片设计、晶圆制造、芯片加工和测试的IDM全流程业务体系的光芯片公司。目前公司已完成了激光器芯片技术的开发，并在面对下一代光通信方案中的硅光子集成技术方面取得重要进展。公司主要产品包括2.5G、10G以及25G激光器芯片，广泛应用于光纤到户、数据中心与云计算、5G移动通信网络等。
根据C&C统计数据，2020年，在国内磷化铟（InP）半导体激光器芯片产品对外销售的厂商中，源杰科技收入排名第一，其10G和25G激光器芯片系列产品的出货量在国内同行业公司中均排名第一；其中，10G DFB产品在全球的出货量同样排名第一，约占20%，超过了住友电工和三菱电机；而25G DFB产品源杰科技已经实现了突破，在5G基站前传和数通市场方面已经开始批量出货。
目前，源杰科技已经开始大规模供应主流光模块厂商，并将产品提供给国内外知名通信设备商，包括中国移动、中国联通、中国电信和AT&T等运营商。源杰科技已成为国内领先的光芯片供应商。并且公司在25G以上高速光芯片、EML产品以及硅光、激光雷达等新技术/新领域布局超前，未来有望进一步打开市场空间。
中科光芯：全生产链自主生产
福建中科光芯成立于2011年，是目前国内唯一一家能够全生产链自主生产光芯片的公司。公司拥有外延生长、芯片微纳加工及器件封装产业线，产品线包括外延片、芯片、TO器件、光器件和光模块等，是一家能够独立设计并量产光芯片和器件的企业。
中科光芯产品主要包括FP、DFB、PIN、APD、SLED等类型的芯片和器件。这些产品已经打破了国外的垄断，广泛应用于高清视频、数据通信、光纤通道、以太网FTTH、SDH/SONET、高速率光通信存储、传感与检测以及其他光纤信息传输领域。
截至目前，中科光芯拥有130多项知识产权专利，其中包括42项发明专利，已成功推出了2.5G、10G、25G等速率的光芯片，并广泛应用于光通信和光电传感领域。公司与华为、中兴通讯等国内一线通信厂商展开合作，并累计向市场交付了2.5亿颗光芯片。为了进一步提升企业的研发能力，中科光芯于今年初在石狮启动了一项价值1亿元的研发中心项目，重点致力于5G和数据通信前沿核心光电子领域的技术攻关。
武汉敏芯：首家独立全系列光芯片
武汉敏芯半导体公司成立于2017年，是国内光通信领域首家独立的全系列光芯片供应商。公司具备芯片设计、晶圆制造工艺、封装测试等全产业链能力，并将产品应用于集成电路产业链、5G新一代信息技术和关键网络设备等重要领域。2018年10月，敏芯半导体成功投产并推出了首款2.5G激光器芯片。到2021年，短短的4年时间里，敏芯半导体迅速发展壮大，成为国内光通信芯片领域的代表性企业之一。成功入围了国家工信部发布的第二批建议支持的国家级专精特新“小巨人”企业名单。
目前，敏芯半导体可以量产2.5G、10G、25G和50G全系列激光器和探测器光芯片以及封装类产品。近年来，敏芯公司持续投入技术开发，其研发费用占营业收入比重超过30%。公司拥有高速DFB激光器外延结构设计、芯片光栅结构设计等多项核心技术，并获得了49项自主知识产权，其中包括39项发明专利。
除了以上3家专业光芯片企业之外，在专业光芯片领域，光安伦、云岭光电、仕佳光子等都有着不错表现。而综合光芯片模块也有光迅科技、海信宽带、华为海思等。
