了解全球PIC市场：应用、挑战和未来前景

7/24/2024，光纤在线讯，来源：逍遥自动化设计

引言
   光电子集成芯片（PIC）作为强大的技术出现，其应用范围广泛，从高速数据传输到先进的传感功能。本文将探讨PIC市场的现状、应用、挑战和未来前景，介绍PIC中使用的材料、对人工智能（AI）的影响以及推动市场增长的新兴应用。

PIC市场概览
   未来几年，全球PIC市场将迎来增长。根据IDTechEx的最新报告，预计到2034年，该市场将达到220亿美元，复合年增长率（CAGR）为9.1%。这一增长主要得益于人工智能和数据中心应用对高性能收发器需求的增长。

      
图1：预计未来十年，全球PIC市场将增长2.4倍，达到220亿美元。满足人工智能需求的数通收发器预计将成为这一增长的最大驱动力

与传统的光学系统相比，PIC具有以下优势：
·  微型化：PIC可以将复杂的光学系统封装在糖果棒大小的封装中。
·  高性能：它们能够高效地发送和接收数十亿比特的信息。
·  多功能性：PIC可适用于从电信到传感应用的各种用途。
·  可扩展性：PIC芯片利用CMOS芯片技术，有望突破摩尔定律，实现信息处理的扩展。

材料和平台
   虽然硅基光电子技术是商用PIC器件最广泛的平台，但研究人员正在探索各种应用的其他替代材料。让我们来了解一下PIC中使用的几种关键材料：

硅：
·  优点：成本效益高、可扩展且与现有CMOS制造工艺兼容。
·  局限性：由于间接带隙，在光发射或光探测方面效率不高。

硅（玻璃）：
·  优点：光学损耗低，适用于无源光学元件。
·  局限性：主动功能有限。

磷化铟（InP）：
·  优点：非常适合光发射和光检测，适用于主动光学元件。
·  局限性：与硅相比成本更高，制造工艺更复杂。

薄膜铌酸锂（TFLN）：
·  优点：中等程度的Pockels效应，材料损耗低，适用于高性能调制。
·  应用：量子系统和未来潜在的高性能收发器。

新兴材料：
·  正在探索钡钛酸盐（BTO）、电光聚合物和稀土金属在量子计算和其他尖端应用中的潜力。

PIC在人工智能和数据中心中的应用
   人工智能的兴起对能够支持海量数据速率的高性能收发器产生了前所未有的需求。PIC处于这场革命的最前沿，具有以下优势：

高速数据传输：
   基于PIC的收发器可以达到1.6T甚至更高的速度，这对于人工智能加速器和数据中心重要。

   例如：Nvidia最新的Blackwell CPU每块GPU需要大约两个800G收发器。

基于PIC的可插拔收发器的路线图：
·  当前：800G收发器
·  近期：1.6T收发器
·  2026年及以后：预计3.2T收发器

      
图2：基于PIC的可插拔收发器路线图

对数据中心的影响：
·  PIC是数据中心基础设施内传输数据的关键组件。
·  IDTechEx预测，到2034年全球数据中心数量将超过15000个。
·  能源效率问题：数据中心已经消耗了全球约1%的能源，限制了其增长潜力。

新兴应用
·  PICs正在电信和数据中心以外的各个领域找到应用。一些有前景的领域包括：

光子引擎和加速器：
·  使用马赫-曾德干涉仪和低损耗波导等元件。
·  性能可能高于单独的电子加速器。
·  应用于机器学习和人工智能矩阵运算。

传感器：
·  使用氮化硅等材料的“人工鼻”气体传感器。
·  医疗保健应用：即时诊断和可穿戴技术。
·  激光雷达：用于自动驾驶汽车和无人机的基于脉冲宽度调制的频率模式连续波（FMCW）激光雷达。

量子计算：
·  光子量子系统中用于精确控制光子的PIC。
·  更稳定、可扩展的量子系统的潜力。

芯片间互连：
·  光电共封装器件（CPO）和外部激光器，用于替代人工智能加速器系统中的铜质互连器件。
·  在高数据传输率下提供更大的带宽和更高的功率效率。
·  预计2026/2027年CPO将得到广泛应用。

      
图3：PIC应用范围

电信和数据通信应用
   PIC在电信和数据通信行业应用广泛，主要有以下几种关键应用：

电信（长距离数据传输）：
·  基于PIC的密集波分复用（DWDM）收发器，用于汇聚来自5G基站的信号。
·  5G市场预计将强劲增长。
·  与数据通信相比，每台收发器的成本更高，因此利润丰厚。

数据通信（短距离数据传输）：
·  由于人工智能驱动的数据中心增长，该市场增长最快。
·  与传统的光收发器相比，基于PIC的收发器在相似的外形尺寸下性能更高。

      
图4：传统光收发器和基于PIC的光收发器的对比

市场参与者和竞争
   PIC市场主要由几家主要企业主导，尤其是在数据通信收发器领域。截至2023年，主要企业及其市场份额如下：

      
图5：数据通信用PIC收发器的主要厂商及其市场份额

一些值得注意的发展和参与者包括：
·  Innolight：总部位于中国的收发器公司，将于2023年底实现1.6T传输速度。
·  Coherent：凭借其自有InP晶圆厂设施，为1.6T+应用开发更高性能的收发器。
·  英特尔硅基光电子：2023年售出约170万片PIC，继续开发数据通信和电信收发器。

挑战与未来展望
   尽管前景光明，但PIC市场仍面临诸多挑战：

材料限制：
·  持续研究，为不同应用寻找最佳材料。
·  整合多种材料以实现所需的功能。

集成的复杂性：
·  将电子和光子元件整合到单个芯片上仍然具有挑战性。
·  努力开发3D集成光子架构，以提升器件密度并改善光路由。

成本管理：
·  设计和制造PIC的初始成本很高。
·  需要大量需求来抵消这些成本。

生产周期：
·  可能需要数月时间，可能会减慢产品开发和市场响应速度。

未来展望
   人工智能和数据中心应用持续增长。
   进军新市场，例如汽车（激光雷达）、医疗保健（传感器）和量子计算。
   开发更高性能的收发器（3.2T及以上）。
   探索新材料和集成技术，以克服当前面临的限制。

结论
   全球PIC市场将实现强劲增长，主要得益于人工智能和数据中心应用对高性能收发器需求的增长。预计到2034年，PIC的市场价值将达到220亿美元，在塑造从电信到量子计算等各行业的未来方面发挥关键作用。

    随着研究人员和公司继续在材料科学、集成技术和制造工艺方面进行创新，我们可以预见，PIC将在光通信、传感和计算领域不断突破极限。集成复杂性、成本管理和生产周期等挑战依然存在，但PIC技术的潜在优势正在推动这一领域持续投资和发展。

   无论是为人工智能工作负载提供更快的数据传输，提高医疗诊断工具的灵敏度，还是推动实用量子计算机道路，PIC都处于技术创新的前沿。随着市场不断发展，了解PIC技术的最新发展对于电信、数据中心管理、医疗保健和汽车工程等各个行业的专业人士都很重要。

参考资料
https://picmagazine.net/article/119677/A_bright_future_for_the_global_PIC_market?A%20bright%20future%20for%20the%20global%20PIC%20market=