硅光芯片是一种基于硅材料制造的新型集成芯片。它把传统的电子器件和光学器件结合在一起。从而实现了光信号的产生、传输、调制以及探测等功能。这一技术的核心价值在于能够突破传统电子芯片在带宽、功耗以及延迟方面的物理极限。并且为下一代信息技术提供全新的解决方案。

Yole 报告显示，2023 年硅基 PIC（芯片）的市场规模是 9500 万美元。预计到 2029 年，其市场规模将增长到 8.63 亿美元以上。从 2023 年到 2029 年，复合年增长率（CAGR2023 - 2029）为 45%。

硅光芯片的发展起始于 20 世纪 60 年代，在那个时候美国贝尔实验室首次提出了“集成光学”的概念。不过，在之后的几十年当中，因为工艺技术存在限制，并且市场需求也不足，所以硅光芯片一直都没有走出实验室阶段。只有到了 21 世纪，随着 CMOS 工艺逐渐成熟，以及数据中心需求开始爆发，硅光芯片才开始从理论研究逐步转向产业化的探索。英特尔加入了，IBM 也加入了，这些科技巨头的加入推动了这一技术的快速发展。

近年来，AI 大模型训练、高性能计算以及 5G 通信等新兴场景，对数据传输速率和能效比提出了更高的要求，这进一步促使了硅光芯片的技术迭代加快。业内人士分析认为，硅光子技术正逐步从高端市场开始向消费级市场进行渗透，并且成为继 CMOS 之后最具潜力的技术平台之一。

01产业格局

硅光子产业格局包含多元化参与者：主要有积极参与硅光子行业的垂直整合参与者，像 Innolight、思科、Marvell、Broadcom、Coherent、Lumentum、Eoptolink 等；还有初创企业和设计公司，如 Xphor、DustPhotonics、NewPhotonics、OpenLight、POET Technologies、Centera、AyarLabs、Lightmatter、Lightelligence、Nubis Communications 等；以及研究机构，例如 UCSB、哥伦比亚大学、斯坦福工程学院、麻省理工学院；另外还有代工厂，像 Tower Semiconductor、GlobalFoundries、AMF (Advanced Micro Foundry)、imec、台积电、CompoundTek 等；同时还有设备供应商，例如 Applied Materials、ASML、Aixtron、ficonTEC、Mycronic Vanguard Automation、Shincron 等。所有这些参与者都为显著的增长和多样化做出了贡献。

英特尔是研究硅光的巨头厂商之一且属于较早的。它对硅光子技术的研究已超过 30 年。英特尔宣称，自 2016 年推出硅光子平台后，已出货超 800 万个光子集成电路（PIC）以及超 320 万个集成片上激光器，这些产品被许多大型云服务提供商所采用。

英特尔的硅光技术，是利用 CMOS 制造工艺，将激光器、调制器、探测器等光学器件与电路集成在同一块硅基片上，从而实现电子与光学的结合。它具备支持波分复用（WDM）技术的能力，能够让单条光纤同时传输多种波长的光信号。并且，它拥有高效的光电转换技术，使得硅光模块在数据中心等场景中能够提供高性能互连。

它之前推出的 100G 硅光模块已经大规模商用，它之前推出的 400G 硅光模块也已经大规模商用。它正在与云计算巨头合作，推动硅光技术标准化；它正在与网络设备商合作，推动硅光技术普及。

去年 3 月的 OFC（光纤通信大会）上，英特尔展示了 OCI（光计算互联）chiplet。它是将一枚硅光芯片 die 与一片 CPU die 封装在一起，从而组成一个系统。演示的内容是两颗 CPU 通过光纤进行通信。

在这个过程中，OCI chiplet 承担着将 CPU 的电信号转换为光信号的任务。英特尔在其博客文章中提及，凭借英特尔硅光子技术完全集成的 OCI chiplet，其双向传输速率能够达到 4Tbps。并且在数十米的距离范围内，它能够单向支持 64 个 32Gbps 的数据通道，其上层协议与 PCIe Gen 5 是兼容的。

这一技术尚未进入量产。然而，这则演示给出了硅光集成技术未来发展的可能性。不单 Intel 如此，近一年开始探讨光通信技术的企业至少还有英伟达、Synopsys 等上下游市场参与者。

去年的 GTC 大会上，英伟达进行了宣布。台积电将采用英伟达的计算光刻平台进行生产，Synopsys 也将如此。这样做是为了加速制造，同时突破下一代先进半导体芯片的物理极限。

台积电决定在其软件、制造工艺和系统中集成英伟达的 cuLitho 计算光刻平台，以加快芯片制造速度。新思科技也决定这样做。并且它们都将在未来支持最新一代英伟达 Blackwell 架构 GPU。

黄仁勋称：“计算光刻技术乃是芯片制造的根基。我们同台积电以及新思科技携手开展 cuLitho 技术的研发工作，其目的是运用加速计算与生成式人工智能，为半导体微缩开拓新的领域。”

新算法与当前基于 CPU 的方法相比，显著改善了半导体制造工艺。

今年的 GTC 大会上，英伟达推出了 Spectrum - X Photonics 。同时，英伟达推出了一体式封装光学网络交换机。通过这些举措，英伟达将 AI 工厂扩展至了数百万 GPU 。它们集成了光学创新技术，这与传统方法不同。激光器数量减少了 4 倍，由此实现了 3.5 倍的能效提升。还实现了 63 倍的信号完整性提升，以及 10 倍的大规模网络弹性和 1.3 倍的部署速度。

黄仁勋称：“AI 工厂属于新型数据中心，规模超大。网络基础设施需进行全面改造，才能够跟得上其步伐。英伟达把硅光子技术直接整合到交换机里，正在打破超大规模以及企业网络以往的限制，并且开启了通向拥有百万 GPU 的 AI 工厂的大门。”

在数据通信市场，英特尔的市场份额达到 61%并处于领先地位，思科、博通以及其他一些小公司跟在其后。在电信领域，思科（Acacia）的市场份额接近 50%，Lumentum（Neophotonics）和 Marvel（Inphi）紧随其后，相干可插拔 ZR/ZR+模块促使了电信硅光市场的发展。目前市场竞争态势下，中国厂商所占份额相对较少。然而，国内的中际旭创、新易盛、光迅科技、博创科技、铭普光磁、亨通光电等企业开始投身竞争。这些企业推出了 400G、800G 乃至 1.6T 的硅光模块。其中，旭创的 1.6T 硅光模块更是运用了自研硅光芯片，并且已经进入市场导入期。

去年 9 月，九峰山实验室点亮了集成在硅基芯片内部的激光光源。这一光源实现了国内首次“芯片出光”的技术突破。该技术采用自研异质集成工艺，在 8 寸 SOI 晶圆内部完成了磷化铟激光器的工艺集成，并且利用光信号替代了传统电信号进行高速传输。这一突破为未来大规模商用奠定了基础。

02背后驱动力

硅光芯片的产业化进程正在对全球半导体产业链的权力结构进行重塑。它能够在短时间内从实验室跨越到产业化，这离不开其背后的核心驱动力。

硅光芯片的一大优势便是与现有 CMOS 工艺高度兼容。其核心竞争力也在于此。传统光通信器件通常需要复杂的分立组装工艺，然而硅光芯片借助与 CMOS 工艺的结合，能够直接运用现有的晶圆生产线来进行大规模制造。这种兼容性使得生产成本大幅降低，同时也能让硅光芯片无缝融入现有的半导体供应链。

此外，新材料体系的应用给硅光芯片的功能拓展带来了更多可能性。引入磷化铟（InP）、铌酸锂（LiNbO3）等材料，弥补了硅本身作为发光材料的欠缺，从而进一步提升了芯片的性能。

随着人工智能、大数据以及高性能计算需求的迅速提升，传统电子芯片在带宽、功耗以及延迟这几个方面的瓶颈逐步显露出来。特别是在 AI 大模型的训练和推理场景当中，大量数据的处理需求给芯片的算力以及能效带来了前所未有的考验。硅光芯片凭借其具备的高带宽、低延迟以及高能效比的特性，成为解决这个难题的重要工具。

数据中心是硅光芯片重要的应用场景之一。统计显示，全球数据中心每年产生的数据流量已达泽字节级别。传统铜缆连接方式在长距离传输时面临严重信号衰减问题。光纤通信虽有高带宽优势，但成本高昂，限制了大规模普及。这些优势让它成为云计算厂商和电信运营商的首选方案。

03全面开花

硅光芯片最初主要应用于数据中心和长距离通信等高端市场。然而，随着技术的成熟以及成本的下降，它的应用场景正在快速地扩展到多个新兴领域。硅光子技术正逐渐成为智能驾驶领域突破性创新的核心驱动力，也正逐步成为光计算领域突破性创新的核心驱动力，同时还正渐渐成为消费电子领域突破性创新的核心驱动力。

在智能驾驶这个领域里，硅光固态激光雷达的技术路线被当作是实现大规模商用的关键途径。当下的激光雷达大多是依靠分立器件来进行集成的，这样就面临着成本较高、体积比较大、功耗以及可靠性方面存在不足等一些瓶颈问题。而硅光的芯片化方案通过采用 CMOS 工艺兼容的高密度集成方式，大大降低了系统的复杂度以及制造成本。具体而言，光开关阵列这种固态激光雷达方案，凭借其小型化以及抗振动的特性，正在推动激光雷达从机械式向全固态演进。

并且满足车规级可靠性要求。

硅光子技术在光计算领域的潜力备受关注。算力需求急剧增加，同时传统电子计算的能效瓶颈也日益明显。光计算凭借并行处理、低功耗以及抗干扰等优势，成为突破冯·诺依曼架构限制的前沿方向。硅光平台借助成熟的半导体工艺，能够将光波导、调制器等核心元件实现纳米级集成，为光量子计算芯片提供高密度且可编程的硬件基础。硅基波导能够稳定地生成光子纠缠态并且对其进行操控，可编程光开关阵列可以支持量子态的高效路由。文献表明，硅光芯片已经达成了 128 模态的高斯玻色采样，其集成度相较于分立器件方案提升了 50 倍，这验证了硅光芯片在量子比特扩展中的可行性。这一进展被看作是光量子计算迈向实用化的重要里程碑。

在消费电子领域，硅光子技术具有高集成的特性。这一特性与设备小型化的趋势非常契合。可穿戴设备以及生物医疗传感器等场景，对空间利用率有着严苛的要求。而硅光芯片能够在微米尺度内，将光源、探测器与信号处理单元整合在一起。这样就可以显著提升功能密度。它在微型化光谱分析、健康监测等场景的应用，正在逐步从实验室走向商业化。Meta 与硅光芯片厂商合作开发的光学模组，它通过把硅光调制器和波导进行集成，从而使图像传输的功耗降低了 40%，并且还能够支持 8K 分辨率的输出。这种跨领域的技术渗透，意味着硅光子从仅仅进行单一芯片制造，向着系统级解决方案实现了跨越式的发展。

04结语

这场技术革命以光子替代了电子，它不只是对传统半导体产业进行了一次颠覆性创新，还开启了通向“光电融合时代”的大门。在未来方面，硅光芯片的产业化进程存在着多重挑战。其一，要在提升集成度的同时控制热效应；其二，需实现 III-V 族材料与硅基工艺的更优异质集成；其三，能否突破光量子计算的可扩展性瓶颈。这些问题的答案将决定技术演进的深度与广度。

本文来自微信公众号 ，作者：方圆，36氪经授权发布。