白皮书——面向数据中心光互联的硅光芯片技术

6/27/2022，光纤在线讯，随着网络技术的飞速发展，“大智移云”（大数据、智能化、移动互联网和云计算）时代的来临，无人驾驶与智能机器人的兴起，以及空天地一体化信息整合步伐的加快，光电技术已经覆盖信息产生、获取、传输、交换与处理等各个环节，并通过深度融合产生各种新的应用领域，呈现“井喷式”的发展态势。

未来数据中心面临的最大挑战之一是大量的数据需要被存储、传输和处理。此外，随着多核处理器、内存需求和输入/输出（I/O）带宽需求的持续增加导致了网络拥塞和连接瓶颈。随着带宽的增加，功耗也急剧增加，数量传输数据所需的能量限制系统性能。作为下一代互连技术强有力的竞争者，光互连具有宽频带、抗电磁干扰、强保密性、低传输损耗、小功耗等明显优于电互连的特点，是一种极具潜力的电互连替代或补充方案。同时可以充分利用波分复用（WDM）技术，尤其是通过加持硅光（SiPh）集成芯片技术来发挥光互连带宽优势，实现高速、海量信息传输。

目前，集成电路沿着摩尔定律发展已趋于极限，硅基光电子集成技术利用成熟的微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设备，在绝缘体上硅（SOI）上制造用于光通信、光互连和光信号处理的光电子器件和芯片，可实现低成本、批量化生产。硅光集成产品将集成光学器件与电子元器件组合至一个独立的微芯片之中，其核心是‘以光代电’、光电融合，用激光束代替电子信号传输数据，以提升路由器和交换机线卡/板卡之间芯片与芯片之间的连接速度，可以满足数据中心对更低成本、更高集成度、更多嵌入式功能、更高互连密度、更低功耗和更高可靠性的发展需求，具有高集成度、超高速率、超低功耗优势，在光纤到户、数据通信、5G无线、激光雷达、量子通信等超高速、大容量通信及应用领域具有广阔的发展空间。
虽然近年来硅光子市场前景看好，但在材料、工艺和设计上依然面临一系列挑战。按照硅光集成使用的材料体系分类，光电集成可以分类为单片同质集成与异质集成。在单片同质集成方面，例如基于硅基材料构建光电集成芯片、基于磷化铟材料的滤波器集成等。而且，异质集成能够发挥各种材料的优势，提升各功能器件的性能。根据是否进行异质材料生长，异质集成可分为单片异质集成与混合异质集成。通过外延生长在硅基衬底上可以制备大规模集成的单片III-V族-硅基激光器，以及单片III-V族-硅基量子点激光器阵列。混合集成的优势在于避免了不同材料间的晶格失配，工艺相对简单，但是集成度较低。其关键工艺技术是利用光子引线键合技术、分子晶圆键合技术、硅通孔技术进行光互联与电互联实现光电混合集成。

对于单片同质集成，较为成熟的材料体系为硅基材料和磷化铟材料。其中，硅基材料难以集成光源等有源器件，磷化铟材料成本较高，难以大规模集成。混合异质集成主要面临的是实现高效光耦合与电路-光路接口的封装问题和由驱动电路带来的散热问题。单片异质集成是实现光电一体的大规模集成的关键技术途径，其避免了混合集成带来的封装问题；但单片异质集成目前有3个问题：多材料的兼容问题、由集成度提高带来的光路-电路的检测问题，以及芯片的散热问题。

2019年全球半导体芯片市场规模超过4000亿美元，其中光电子器件规模超过400亿美元。光电子芯片是近两年来增速最快的领域，年复合增长率超过30%，光芯片投资是当下半导体投资的“大风口”！

为什么说硅光芯片是5G与数据中心两大“新基建”的“超级金矿”？
为什么说硅光芯片无需7nm制程就可以继续延续“摩尔定律”传奇？
什么是硅光集成技术？硅光芯片产业动态？技术创新方向是什么？硅光芯片的投资热点在哪儿？ 
硅光芯片的Chiplet、FO-WLP、SoC/SiP、COP、2.5D、3D、MEMs、SOI、TSV等先进集成封装技术的原理是什么？
硅光芯片如何基于Chiplet、FO-WLP、SoC/SiP、COP、2.5D、3D等先进封装及高级集成技术实现More Moore、Moore than Moore和Beyond COMS，以突破和超越“摩尔定律”的瓶颈限制?

过去的半个多世纪，半导体行业一直遵循着摩尔定律的轨迹高速发展，但近年来，随着制程不断向前演进，技术升级的空间变小，成本的极具增加，单纯依靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求，摩尔定律显得“力不从心”，半导体行业逐步进入后摩尔时代。

摩尔定律虽然放缓，科技进步的速度变得难以预测，但集成电路依然不可替代，关注后摩尔时代潜在颠覆性技术，有几方面意义。

一是有观点认为这样的颠覆式技术能够为“摩尔定律”续命，保持集成电路继续向前快速发展，让科技进步重新找回“节奏感”。当前，半导体产业技术创新密集而活跃，提前对这些潜在技术进行布局，无论是对企业还是对产业而言，有助于在变革时代掌握主动权。

二是中国集成电路产业发展迅速，近年来已经在许多关键技术方面获得突破。但同时应该看到，以美国为首的西方国家，始终对我国半导体产业发展进行打压，这种情况在一直以来的《瓦森纳条约》中对于光刻机的管制，对于大硅片技术的限制，近年来对于中兴、华为、晋华等中国企业的制裁上体现得更为明显。

“后摩尔时代”的来临，既是对整个中国半导体行业发展的挑战，但也可以说是一种机遇，如果能够加强“后摩尔时代”集成电路潜在颠覆性技术的研发和提前布局，则能够抓住“弯道超车”的机会，实现中国集成电路产业发展的突围。“趋缓的摩尔定律给追赶者机会。”近日，中国工程院院士吴汉明在“先进集成电路技术与产业创新”论坛上发言时指出。

三是如今美国、韩国、日本、欧盟等国家和地区都开始在半导体领域进行巨额投入，这其中就包括潜在颠覆性技术。今年恰逢“十四五”的开局之年，“02专项”也在去年结束，因此，无论是对国家自身的半导体产业发展，还是考虑到未来国家间的高科技领域竞争，对于“后摩尔时代”潜在的颠覆性技术进行提前布局十分必要。

综合目前的行业看法，后摩尔时代的创新与潜在的“颠覆性技术”包含四方面内容：特色工艺、新材料、新架构、先进封装，目前在这些领域中国都有潜在能够获得突破的机会。

新材料
围绕新材料和新架构的颠覆性技术将成为“后摩尔时代”集成电路产业的主要选择。
目前，九成半导体器件由硅制造，硅材料具有集成度高、稳定性好、功耗低、成本低等优点。但在后摩尔时代，除了更高集成度的发展方向之外，通过不同材料在集成电路上实现更优质的性能是发展方向之一。此外，以RISC-V 为代表的开放指令集将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。

在新材料方面，通过全新物理机制实现全新的逻辑、存储及互联概念和器件，推动半导体产业的革新。例如，拓扑绝缘体、二维超导材料等能够实现无损耗的电子和自旋输运，可以成为全新的高性能逻辑和互联器件的基础；新型磁性材料和新型阻变材料能够带来高性能磁性存储器如MRAM和阻变存储器，三代化合物半导体材料、绝缘材料、高分子材料等基础材料的技术也在孕育突破。

同时，随着5G、新能源汽车等产业的发展，对高频、高功率、高压的半导体需求，硅基半导体由于材料特性难以完全满足，以GaAs、GaN、SiC 为代表的第二代和第三代半导体迎来发展契机。

新架构
在新架构方面，以RISC-V为代表的开放指令集及其相应的开源SoC芯片设计、高级抽象硬件描述语言和基于IP的模板化芯片设计方法，将取代传统芯片设计模式，更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。类似脑神经结构的存内计算架构将数据存储单元和计算单元融合为一体，能显著减少数据搬运，极大地提高计算并行度和能效。计算存储一体化在硬件架构方面的革新，将突破AI算力瓶颈。

异构集成与先进封装
随着先进制程的不断向前演进，芯片制造工艺正变得复杂而且昂贵。在应用多元化的今天，要求更加灵活和多样的集成方式，这需要从以前的二维平面向三维立体进行拓展，将不同功能的芯片和元器件整合封装，实现异构集成。

基于Chiplet（芯粒）的模块化设计方法将实现异构集成，被认为是增强功能及降低成本的可行方法，有望成为延续摩尔定律的新路径。Chiplet模式能满足现今高效能运算处理器的需求，具备设计弹性、成本节省、加速上市三大优势。

异构集成的关键在于掌握先进封装技术，具有降低芯片设计难度、制造便捷快速和降低成本等优势。SiP 等先进封装技术是Chiplet 模式的重要实现基础，Chiplet模式的兴起有望驱动先进封装市场快速发展。



先进封装之所以能够成为持续优化芯片性能和成本的关键创新路径，主要在于以下两点：

一是小型化：通过单个封装体内多次堆叠，实现了存储容量的倍增，进而提高芯片面积与封装面积的比值。

二是高集成：以系统级封装SiP实现数字和非数字功能、硅和非硅材料和器件、CMOS和非CMOS电路等光电、MEMS、生物芯片等集成在一个封装内，完成子系统或系统。

得益于对更高集成度的广泛需求，以及5G、消费电子、物联网、人工智能和高性能计算HPC等大趋势的推动，业界需要依靠先进封装来对冲芯片制造端的阻力，先进封装被重点关注！目前，先进封装的重要性已成为行业共识，为抢占技术高地，全球主要封测厂、晶圆厂、IDM都在加紧布局先进封装。

“后摩尔时代”封装技术已经不再单纯地只以线宽、线距和集成度来衡量，而是更多地考虑如何提升系统性能以及提升整个系统的集成度，封装测试环节在整个产业链中的创新能力和价值越来越高。

成熟工艺与特色工艺
在“后摩尔时代”，随着追求高精度制程工艺的节奏放缓，掌握成熟特色工艺的芯片制造商会首先获益，可以凭借着产能优势、区位优势、服务优势、成本优势，来不断拓展市场，并提升自身的技术水平，向更具有竞争力的领域延伸。行业人士指出，特色工艺一般而言不会过度追求制程的精度，以注重工艺成熟度、高性价比为核心，但相应产品的市场空间会长期存在，并且还会随着下游产业的发展而增长。

成熟工艺主要体现在8寸片和功率半导体领域。功率半导体很多工艺平台主要在8寸，并且8寸和12寸工艺上差别不大，从线宽角度看，12寸功率半导体也仅仅是90nm，只有做到功率IC才会往65nm线宽去发展。这意味着国内绝大多数半导体设备和材料公司都可以为功率半导体产线提供设备和材料，从而最大限度的解决了卡脖子瓶颈问题，这是功率半导体发展的基础。同时随着国内新势力造车，以及中国的人口优势，在未来新能源汽车渗透率逐年提升的行业背景下，国内功率半导体公司将迎来黄金发展期。

从市场的角度，目前在先进制程方面，10nm以下产能仅占17%，而83%的市场是10nm以上节点。最近一年的缺芯事件也说明了如28nm、40nm等成熟制程的芯片产品仍有巨大的市场空间。

从现实出发，实现本土可控的55nm芯片制造，可能比完全进口7nm产品更有意义。如果能够运用成熟工艺，结合新材料的运用提升芯片性能，将是后摩尔时代本土半导体产业的重要发展机遇。

此外，如射频领域的特色工艺制造，也是我国可能实现突破的领域。射频前端器件一般使用成熟制程，不跟随摩尔定律迭代。射频前端器件对GaAs\GaN等新材料、新工艺的需求远胜于对先进制程的需求。射频前端器件对于移动通信意义巨大、市场广阔，在后摩尔定律时代，有利于我国追赶、反超世界先进水平。

在如今“大国博弈”的半导体行业处于大变局的当下，提前实现对于“潜在颠覆性技术”的布局，有助于维持集成电路产业持续向前发展，有助于中国集成电路产业突破限制和封锁，实现科技自立自主、弯道超车，也有助于更好应对未来在高科技领域的全球竞争。

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