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半导体

硅光,半导体的另一条赛道

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

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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

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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。

责任编辑:赵强


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