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硅光，半导体的另一条赛道
信息来源：Sophie 发布日期：2020-03-17 阅读次数：2012
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        硅光即硅基光电子，指的是在硅和硅基衬底材料上，利用硅CMOS工艺对光电子器件进行开发和集成的一种新技术。由于其既拥有微电子的工艺成熟、集成度高、价格低廉等基础，又兼具光电子的极高带宽、超快速率、抗干扰性、低功耗等优势，在微电子技术接近瓶颈的后摩尔定律时代，受到英特尔、华为、思科、诺基亚等公司热捧，技术不断进步，产业化进程日益加快，俨然已经成为半导体领域竞争的另一条赛道。

      硅光产业发展迅速


        微电子技术瓶颈和硅光技术优势助力硅光兴起 。微电子技术是当今半导体领域主要技术，从1958年第一款集成电路诞生至今，微电子技术已经遵循摩尔定律发展了60多年。随着微电子芯片集成度不断增加，工艺线宽不断变窄，微电子技术已经逐渐接近性能极限，摩尔定律失效的言论也甚嚣尘上，虽然不断有科学家为摩尔定律续命，但前方道路依然漫长。与此同时，与微电子具有“一字之隔”的光电子凭借自己的高速和低功耗等优势正在蓬勃发展，逐渐受到人们的青睐。受集成电路的启发，集成光路的概念被提出，即利用光波导将光发射、光耦合、光传输、光调制、光逻辑、光处理、光接收等光电子器件集成在同一个衬底上，从而构成一个具有一定独立功能的微型光学系统。传统的光电技术大部分都是基于III-V族半导体（GaAs/InP等），制作成本昂贵，工艺复杂，相比之下，以硅CMOS工艺为基础的微电子技术在过去半个世纪取得了举世瞩目的成就，技术积累十分全面，硅基工业具有非常强大的产业能力。于是有人提出以硅基作为衬底，利用硅CMOS工艺将光电子器件集成，硅光技术应运而生，并且凭借其兼具的微电子和光电子两大技术优势火速兴起，成为半导体和通信企业的竞争热点。

        技术演进和企业收购助力产业发展。 硅光从提出至今，技术不断演进，其中里程碑事件为英特尔在2004年研制成功1Gb/s硅光调制器，在这之后硅光产业化进程突飞猛进，新技术层出不穷，硅光产品越来越多，不断有企业进入该领域。由于硅光产品技术和准入门槛较高，下游企业对硅光产品依赖度增大，越来越多的下游公司在硅光领域开始展开布局，并为此进行了多轮收购或并购，从而实现产业垂直整合，其中以思科、诺基亚等为主要代表。

                                          表1 近三年硅光技术主要进展情况

                                         数据来源：赛迪智库集成电路研究所，2020年3月


                                                表2 近十年年硅光产业主要收购情况

                                          数据来源：赛迪智库集成电路研究所，2020年3月


        硅光应用领域和市场规模不断扩大。 目前硅光产品的发展已经初具规模，在光通信及光信息处理方面具有微电子无法比拟的优越性，应用广泛。根据Yole预测数据，硅光市场规模将从2018年的4.55亿美元，增长到 2024 年的40亿美元。在消费电子领域，硅光的大规模集成特性非常适合消费电子产品需求，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；在光通信领域，随着网络带宽的不断增加，高速率传输技术已经成为光通信领域的研究重点，硅光产品凭借尺寸小、成本低、与现有CMOS技术兼容等优势，成为高速光通信实现产业化的最佳方案；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，基于硅光的量子通信芯片有望成为量子通信的重要技术方案。此外，硅光在智能驾驶、激光雷达、面部识别、高速互联等应用领域均有解决方案。

      我国硅光产业发展两大现状


        我国正处于追赶者的地位。 由于我国进入硅光领域较晚，目前主要通过并购或者与外企合作的模式切入，正处于追赶者的地位。我国目前在硅光领域开展布局的企业主要有华为、光迅科技、亨通光电、博创科技等。华为2013年收购比利时硅光子公司Caliopa，并且在英国建立了光芯片工厂发展硅光技术。2017年亨通光电与英国的硅光子企业洛克利合作，获得多项硅光芯片技术许可，2020年3月10日发布了400G硅光模块。2018年光迅科技联合国家信息光电子创新中心等单位联合研制成功100G硅光收发芯片并正式投产使用，但是流片需要依靠国外。2020年博创科技与Sicoya公司合作，推出了高性价比的400G数据通信硅光模块解决方案。

        我国硅光发展与发达国家仍存在差距。 在设计方面，架构不够完善，体积和性能平衡的问题没有妥善解决。在制备方面，我国的硅光芯片大部分都需要国外代工，对外依赖度大。在封装方面，硅光器件之间的耦合以及大密度集成仍然存在问题。在测试方面，高速仪器仪表还严重依赖国外。在推广应用方面，虽然第一代硅光相干芯片已经完成研制，但是距离应用还有一段路要走，关于如何在数据通信领域发挥硅光技术优势，降低成本，依然是我国硅光发展需要面临的问题。在企业规模上，相比集成电路企业，我国硅光企业大都规模较小，芯片严重依赖国外，企业实力较弱，垂直整合能力较差，虽然有一些硅光企业，但大都是设计、后道制程和封装企业，具有芯片制备能力的企业寥寥无几。

       三点建议助力我国硅光发展


        积极与下游厂商对接。 由于硅光技术正在不断发展中，且下游智能传感、量子通信等硅光产品应用领域尚未完全成熟和普及，因此为了占领未来市场，需要硅光厂商与下游厂商积极对接合作，及时了解产品需求，在研发和产业化上做到有的放矢，提升产品竞争力。

        增强企业垂直整合能力。 鼓励国内厂商通过收购或兼并等方式在硅光产业链上不断进行拓展，加大创新投入、改善人才引进与激励机制，完成技术与业务能力的提升，增强企业垂直整合能力，占据产业链高端。

        做好长期投入的准备。 硅光是技术密集型产业，需要持续不断关注，不能唯眼前回报而论。以英特尔为例，其发展硅光到现在并没有盈利，但是依然在坚持研发新产品，不断引领硅光的技术新发展。我国在硅光方面对比国外，虽然不如微电子差距那么大，但是依然有差距，处于追赶者地位。没有谁可以保证硅光一定赚钱，但是没有一家公司能承受不做硅光带来的损失。想要做好硅光，就需要持续投入，重视基础研究，改善考核机制，保证科研人员和企业具备稳定的研发能力，这样最终赢得硅光战役的胜利。

        作者马晓凯为赛迪研究院集成电路研究所光电研究室研究员、博士，朱邵歆为集成电路研究所副所长。