芯耀
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| 揭秘硅光芯片
在前不久結(jié)束的兩會(huì)當(dāng)中，全國(guó)政協(xié)委員、中科院微電子所研究員王宇建議，將硅光芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展明確列為政府支持范圍，并鼓勵(lì)企業(yè)、資本、人才聚集硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)相關(guān)細(xì)分領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化。
硅光芯片到底是個(gè)怎樣的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)為什么要推動(dòng)硅光芯片領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化，在構(gòu)建國(guó)內(nèi)硅光芯片產(chǎn)業(yè)過(guò)程中的挑戰(zhàn)是什么？
帶著這些疑問(wèn)，芯謀研究與王宇委員進(jìn)行了一次對(duì)話，以期能為讀者掀開(kāi)這個(gè)新領(lǐng)域的面紗，了解這個(gè)蘊(yùn)藏著巨大發(fā)展?jié)摿Φ募?xì)分領(lǐng)域。
全國(guó)政協(xié)委員、中科院微電子所研究員 王宇
歷史重現(xiàn)：硅光芯片遇見(jiàn)80年代微電子崛起時(shí)刻
數(shù)據(jù)中心是全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)著力的一個(gè)重要市場(chǎng)，是承載數(shù)字計(jì)算力、各行業(yè)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障設(shè)施，也是促進(jìn)各行各業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵動(dòng)力。
以電信號(hào)作為數(shù)據(jù)傳輸載體的硅基芯片，在摩爾定律遭遇瓶頸的情況下，已經(jīng)逐漸不能滿(mǎn)足未來(lái)數(shù)據(jù)中心的需求。它面臨的問(wèn)題是，在數(shù)據(jù)密度較高的數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中，撞見(jiàn)了帶寬墻和功耗墻。而將光信號(hào)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，硅光可以結(jié)合成熟的微電子和光電子技術(shù)，由于光在傳輸路徑上的損耗更小，不僅可以解決傳統(tǒng)芯片在功率及尺寸方面的限制；基于光在傳播上的天然優(yōu)勢(shì)，硅光芯片還可以突破通過(guò)銅線來(lái)傳播電信號(hào)的速率瓶頸，這也使得硅光芯片在數(shù)據(jù)中心和中長(zhǎng)距離通信等未來(lái)場(chǎng)景中獲得了巨大的增長(zhǎng)潛力。
如果硅光芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得以廣泛部署，我們可以推測(cè)，以硅光子為核心的光計(jì)算將會(huì)發(fā)展起來(lái)，更有可能帶動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步，進(jìn)而影響數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。按照這個(gè)路線發(fā)展，光將代替電為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)打開(kāi)一個(gè)全新的局面——根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，到2025年，硅光產(chǎn)業(yè)的價(jià)值將達(dá)到300億-350億的規(guī)模，結(jié)合市場(chǎng)規(guī)模和發(fā)展趨勢(shì)兩個(gè)方面來(lái)看，硅光產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)階段發(fā)展情況，都與上個(gè)世紀(jì)80年代微電子產(chǎn)業(yè)的崛起前夜十分相似。
英特爾、思科等國(guó)外巨頭已經(jīng)開(kāi)始積極部署硅光賽道的發(fā)展。一方面，在集成工藝和技術(shù)發(fā)展的上面，硅光還沒(méi)有完全滿(mǎn)足光的要求，所以，國(guó)際廠商都在建立硅光的代工能力；另外一方面國(guó)際巨頭也從通訊或計(jì)算領(lǐng)域等終端方面入手，啟動(dòng)了與硅光相關(guān)的創(chuàng)新企業(yè)并購(gòu)。通過(guò)并購(gòu)，國(guó)際龍頭可整合硅光產(chǎn)業(yè)鏈，依舊掌握未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的話語(yǔ)權(quán)。
但與上一輪微電子產(chǎn)業(yè)崛起不同的是，面對(duì)新市場(chǎng)環(huán)境對(duì)硅光芯片的需求，國(guó)內(nèi)廠商也擁有了參與到該領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)。在80年代以后，代工廠、EDA企業(yè)、芯片設(shè)計(jì)公司的發(fā)展奠定了國(guó)內(nèi)IC發(fā)展的整體生態(tài)。在應(yīng)用端，未來(lái)國(guó)內(nèi)終端市場(chǎng)的活力是硅光芯片不斷向前發(fā)展的動(dòng)力，國(guó)內(nèi)在數(shù)據(jù)中心和通訊領(lǐng)域布局的廠商均對(duì)硅光產(chǎn)品有著大量的需求，同時(shí)，他們也是發(fā)展硅光產(chǎn)業(yè)的力量。而從研發(fā)進(jìn)程上看，國(guó)內(nèi)技術(shù)研發(fā)也并不輸國(guó)際。 因此，當(dāng)硅光芯片站在了歷史機(jī)遇之上，使之形成產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；攀菗屨歼@個(gè)市場(chǎng)的不二法門(mén)。
國(guó)內(nèi)硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)
要發(fā)展硅光產(chǎn)業(yè)，首先要了解國(guó)內(nèi)硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展的痛點(diǎn)、難點(diǎn)，“對(duì)癥下藥”才能更好地促進(jìn)這個(gè)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。
硅光芯片的設(shè)計(jì)需要在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上增加光電子技術(shù)，也就是說(shuō)，芯片設(shè)計(jì)方式會(huì)區(qū)別于傳統(tǒng)芯片，需要相關(guān)企業(yè)在芯片設(shè)計(jì)方面加大投入。另外一方面，由于硅光芯片設(shè)計(jì)要融入大量的光學(xué)知識(shí)，需要硅光芯片設(shè)計(jì)人才需要掌握更多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，這也對(duì)未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才的提出了新的需求。
其二，目前硅光芯片的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具，多效仿或來(lái)自于微電子領(lǐng)域的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）。但EDA工具無(wú)法滿(mǎn)足其自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求，尤其是在光的干涉等方面，EDA工具無(wú)法滿(mǎn)足硅光芯片的設(shè)計(jì)需求，因此，產(chǎn)業(yè)需要針對(duì)硅光設(shè)計(jì)自動(dòng)化（PDA）工具。從當(dāng)前發(fā)展來(lái)看，PDA設(shè)計(jì)軟件公司由于要與代工廠深度合作，而國(guó)際EDA巨頭公司在與代工廠的合作上本就具有優(yōu)勢(shì)，加之他們還在通過(guò)收并購(gòu)布局PDA產(chǎn)業(yè)領(lǐng)跑在前，這也使得國(guó)內(nèi)硅光芯片設(shè)計(jì)公司仍舊繞不過(guò)國(guó)際EDA巨頭。因此，在國(guó)內(nèi)開(kāi)始意識(shí)到EDA工具的重要性的同時(shí)，也要加強(qiáng)硅光芯片設(shè)計(jì)所需的PDA。
其三，國(guó)內(nèi)硅光芯片想要發(fā)展，就要使之走向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化。只有實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；瑖?guó)內(nèi)的硅光芯片才能在市場(chǎng)中掌握話語(yǔ)權(quán)，才有可能在未來(lái)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中獲得優(yōu)勢(shì)。 其四，需要認(rèn)清傳統(tǒng)芯片與硅光芯片之間的異同，由于傳統(tǒng)芯片和硅光芯片在制造、設(shè)計(jì)、封裝方面均有所差異，因而，需要相關(guān)政策開(kāi)放對(duì)硅光芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的管制，切勿一刀切。
建設(shè)一條硅光產(chǎn)線要投入多少
既然硅光芯片具有前景，國(guó)內(nèi)在相關(guān)技術(shù)和生態(tài)又都有基礎(chǔ)的情況下，建設(shè)一條推廣產(chǎn)線到底要投入多少？ 就目前國(guó)內(nèi)硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看，在政策的引導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一批科研院所、機(jī)構(gòu)和企業(yè)在發(fā)展硅光芯片的設(shè)計(jì)、軟件工具、制造，但在這些方面的發(fā)展大都處于實(shí)驗(yàn)室階段，還未達(dá)到量產(chǎn)。
對(duì)于硅光芯片這一新興半導(dǎo)體領(lǐng)域而言，相比于傳統(tǒng)芯片，可以說(shuō)是換個(gè)賽道。切換到新的賽道是否是要脫離原來(lái)的路徑，是否需要更大的投資，成為了產(chǎn)業(yè)發(fā)展硅光芯片所關(guān)心的問(wèn)題。
硅光芯片在一定程度上集成了傳統(tǒng)芯片的工藝，但就現(xiàn)階段而言，硅光芯片所需的制造工藝還遠(yuǎn)用不上硅基芯片的先進(jìn)工藝，采用成熟工藝的硅光芯片無(wú)論是在提升性能方面還是成本方面都超越了采用同種工藝節(jié)點(diǎn)的硅基芯片的表現(xiàn)。這樣整體算下來(lái)，投資一條硅光量產(chǎn)線要比硅基量產(chǎn)線的成本更低——我們估算，投入15億人民幣可進(jìn)入量產(chǎn)階段，如果包括封裝，25億人民幣左右即可建成一條硅光量產(chǎn)線。
我們預(yù)計(jì)，硅光量產(chǎn)線的建成，也將同樣利好于國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上其他廠商的成長(zhǎng)。例如，國(guó)內(nèi)的代工廠可以在現(xiàn)有成熟工藝的基礎(chǔ)上，發(fā)展適合硅光的特色工藝，讓國(guó)內(nèi)代工廠和國(guó)內(nèi)硅光芯片設(shè)計(jì)廠商在研發(fā)初期就產(chǎn)生緊密合作，帶動(dòng)硅光芯片代工廠的成長(zhǎng)。另一方面，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備也有機(jī)會(huì)打入“初長(zhǎng)成”硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)而深入到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
且將新火試新茶，趁著硅光芯片現(xiàn)在“年華”尚早，重視硅光芯片的發(fā)展，積極建設(shè)硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈，很有可能會(huì)讓國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中邁上一個(gè)新臺(tái)階。
