为什么要发展硅光产业?

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在前不久结束的两会当中,全国政协委员、中科院微电子所研究员王宇建议,将硅光芯片产业发展明确列为政府支持范围,并鼓励企业、资本、人才聚集硅光芯片产业链,推动相关细分领域产业化。

硅光芯片到底是个怎样的市场,国内为什么要推动硅光芯片领域产业化,在构建国内硅光芯片产业过程中的挑战是什么。带着这些疑问,芯谋研究与王宇委员进行了一次对话,以期能为读者掀开这个新领域的面纱,了解这个蕴藏着巨大发展潜力的细分领域。

一、历史重现:硅光芯片遇见80年代微电子崛起时刻

数据中心是全球半导体产业着力的一个重要市场,是承载数字计算力、各行业信息系统的基础保障设施,也是促进各行各业进行产业升级的关键动力。

以电信号作为数据传输载体的硅基芯片,在摩尔定律遭遇瓶颈的情况下,已经逐渐不能满足未来数据中心的需求。它面临的问题是,在数据密度较高的数据中心场景中,撞见了带宽墙和功耗墙。

而将光信号作为数据传输的载体,硅光可以结合成熟的微电子和光电子技术,由于光在传输路径上的损耗更小,不仅可以解决传统芯片在功率及尺寸方面的限制;基于光在传播上的天然优势,硅光芯片还可以突破通过铜线来传播电信号的速率瓶颈,这也使得硅光芯片在数据中心和中长距离通信等未来场景中获得了巨大的增长潜力。

如果硅光芯片在数据中心领域得以广泛部署,我们可以推测,以硅光子为核心的光计算将会发展起来,更有可能带动神经网络的进步,进而影响数字经济的发展。按照这个路线发展,光将代替电为半导体产业打开一个全新的局面——根据相关数据显示,到2025年,硅光产业的价值将达到300亿-350亿的规模,结合市场规模和发展趋势两个方面来看,硅光产业的现阶段发展情况,都与上个世纪80年代微电子产业的崛起前夜十分相似

英特尔、思科等国外巨头已经开始积极部署硅光赛道的发展。一方面,在集成工艺和技术发展的上面,硅光还没有完全满足光的要求,所以,国际厂商都在建立硅光的代工能力;另外一方面国际巨头也从通讯或计算领域等终端方面入手,启动了与硅光相关的创新企业并购。通过并购,国际龙头可整合硅光产业链,依旧掌握未来半导体产业的话语权。

但与上一轮微电子产业崛起不同的是,面对新市场环境对硅光芯片的需求,国内厂商也拥有了参与到该领域竞争的基础。在80年代以后,代工厂、EDA企业、芯片设计公司的发展奠定了国内IC发展的整体生态。在应用端,未来国内终端市场的活力是硅光芯片不断向前发展的动力,国内在数据中心和通讯领域布局的厂商均对硅光产品有着大量的需求,同时,他们也是发展硅光产业的力量。而从研发进程上看,国内技术研发也并不输国际。

因此,当硅光芯片站在了历史机遇之上,使之形成产业化和规模化才是抢占这个市场的不二法门。

二、国内硅光产业发展的难点

要发展硅光产业,首先要了解国内硅光产业发展的痛点、难点,“对症下药”才能更好地促进这个产业的整体发展。

硅光芯片的设计需要在微电子技术的基础上增加光电子技术,也就是说,芯片设计方式会区别于传统芯片,需要相关企业在芯片设计方面加大投入。另外一方面,由于硅光芯片设计要融入大量的光学知识,需要硅光芯片设计人才需要掌握更多的专业知识,这也对未来半导体产业人才的提出了新的需求。

其二,目前硅光芯片的设计方法和设计工具,多效仿或来自于微电子领域的电子设计自动化(EDA)但EDA工具无法满足其自动化设计需求,尤其是在光的干涉等方面,EDA工具无法满足硅光芯片的设计需求,因此,产业需要针对硅光设计自动化(PDA)工具。从当前发展来看,PDA设计软件公司由于要与代工厂深度合作,而国际EDA巨头公司在与代工厂的合作上本就具有优势,加之他们还在通过收并购布局PDA产业领跑在前,这也使得国内硅光芯片设计公司仍旧绕不过国际EDA巨头。因此,在国内开始意识到EDA工具的重要性的同时,也要加强硅光芯片设计所需的PDA。

其三,国内硅光芯片想要发展,就要使之走向产业化、规模化。只有实现了产业化、规模化,国内的硅光芯片才能在市场中掌握话语权,才有可能在未来的半导体产业竞争当中获得优势。

其四,需要认清传统芯片与硅光芯片之间的异同,由于传统芯片和硅光芯片在制造、设计、封装方面均有所差异,因而,需要相关政策开放对硅光芯片产业发展的管制,切勿一刀切。

三、建设一条硅光产线要投入多少?

既然硅光芯片具有前景,国内在相关技术和生态又都有基础的情况下,建设一条推广产线到底要投入多少?

就目前国内硅光产业发展来看,在政策的引导下,国内已经有一批科研院所、机构和企业在发展硅光芯片的设计、软件工具、制造,但在这些方面的发展大都处于实验室阶段,还未达到量产。

对于硅光芯片这一新兴半导体领域而言,相比于传统芯片,可以说是换个赛道。切换到新的赛道是否是要脱离原来的路径,是否需要更大的投资,成为了产业发展硅光芯片所关心的问题。

硅光芯片在一定程度上集成了传统芯片的工艺,但就现阶段而言,硅光芯片所需的制造工艺还远用不上硅基芯片的先进工艺,采用成熟工艺的硅光芯片无论是在提升性能方面还是成本方面都超越了采用同种工艺节点的硅基芯片的表现。这样整体算下来,投资一条硅光量产线要比硅基量产线的成本更低——我们估算,投入15亿人民币可进入量产阶段,如果包括封装,25亿人民币左右即可建成一条硅光量产线

我们预计,硅光量产线的建成,也将同样利好于国内半导体产业链上其他厂商的成长。例如,国内的代工厂可以在现有成熟工艺的基础上,发展适合硅光的特色工艺,让国内代工厂和国内硅光芯片设计厂商在研发初期就产生紧密合作,带动硅光芯片代工厂的成长。另一方面,国内半导体设备也有机会打入“初长成”硅光芯片产业链,进而深入到半导体产业的发展。

且将新火试新茶,趁着硅光芯片现在“年华”尚早,重视硅光芯片的发展,积极建设硅光芯片产业链,很有可能会让国内半导体产业在未来的竞争中迈上一个新台阶。

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