台积电新技术：用硅光子来取代电

生成式人工智慧（AI）热潮席卷科技业，高效能运算（HPC） 和巨量资料传输速度需求看增，加上台积电（2330）高层日前在半导体展上分享硅光子（Silicon Photonics）技术的进度，引发市场对于硅光子的高度关注。

尽管硅光子应用目前在技术上，还有不少面向需要克服，但这项被视为可延续摩尔定律，使半导体产业突破的关键技术，已让市场充满想像空间，那到底什么是“硅光子”？为什么会如此被半导体业界重视？

目前积体电路（IC）是把许多电晶体，集中在1小片芯片上，是个半导体、铜和其他材料互连的复杂结构，硅光子技术则是电子结合光子，把能导光的线路全数集中，利用光波导的传导，来取代铜等金属线路，并透过硅作为光的传输媒介。使用硅材料的原因在于，一般光学通讯传输波长是1310nm和1550 nm，硅本身不会吸收这2个波长，因此这2个波段可以直接通过。

理论来讲，光比电的传输距离更远，且没有实体线路影响，因此此举不仅可提高传输效率，也可有效解决讯号耗损和热量产生的问题，这也是硅光子技术的最大优势。而硅光子技术的最终愿景，是把芯片中无数光学元件整合为一，将“电讯号”全改由“光讯号”来代替。

硅光子被视为能延续摩尔定律发展的技术之一，摩尔定律认为，积体电路上可容纳的电晶体数目，约每隔18至24个月便会增加1倍，不过就算电晶体增加，仍没办法解决电损耗的问题，但硅光子“以光代电”，芯片就不需要更多的电晶体数量，也不需追求更小奈米和节点，就能够实现更高频宽和更有效率的数据传输。

台积电是发展硅光子指标厂

硅光子被认为是科技巨头追求更高效、节能的技术产品解方之一，虽然近期因为AI热潮，资料传输需求大增爆红，不过硅光子其实并非近期才兴起的新技术，包含IBM、英特尔等科技巨头早在约20年、10年前，就陆续投入相关技术研发。英特尔是最早实现硅光子商业化应用的厂商，2012年就设立专属事业部，IBM也在2012年底，开发出90nm的奈米硅光子积体电路芯片，把光路与电路整合在单一芯片上。

台积电被视为台湾发展硅光子的指标厂，业界传闻，台积电正携手大客户辉达、博通，投入超过200名研发人力，积极推进硅光子技术，预计最快将于2024年下半年开始迎来大单。台积电副总余振华日前就指出，如果能提供良好的硅光子整合系统，就能解决能源效率和AI运算能力2大关键问题，这会是个新的典范转移。

市调机构Yole预测，硅光子市场（以裸晶计算）规模，将从2021年的1.52亿美元，攀升至2027年的9.27亿美元，年复合成长率达36％，对于许多已经进入发展高原期的领域来说，硅光子属于正要起飞阶段，也是外界看重并大举投入研发的原因之一。

目前硅光子技术的类似概念应用是光电收发模组，其传统形式为“插拔式模组”，包含光接收器、光波导、光调变器、电流电压放大器、驱动IC、交换器等元件，分散在印刷电路板（PCB）各处，外接2条光纤，分别传输进去和出去的光，举例来说，资料中心的资料传输，就是芯片的电讯号进入光电收发模组后，进行光电讯号转换，再透过光纤将光讯号传递至交换器、伺服器等。而在光收发模组中，会需要光接收器来接收光讯号，转换成电讯号后，还需要放大器控制电流信号。

不过电讯号进入光电收发模组前，必须有段电的传输路径。除了会产生热还会有讯号损失问题，为了减少电讯号和高速运算的的损失，硅光元件改到接近伺服器交换器周边的位置，缩短电流通距离，让原先的插拔式模组仅剩光纤的部分。

共同封装光学元件 传输量提高8倍

共同封装光学元件（CPO）技术，就是以硅光子作为媒介，将传统光收发模组中的光通讯元件，整合到单一硅芯片上，把电子积体电路（EIC）和光子积体电路（PIC）共同装在同个载板，形成芯片和模组的共同封装，

依据工研院的资料，目前CPO能让资料量传输提高8倍，节省50%的功耗与30倍以上的算力，但光电整合当前仍处“进行式”，因此如何精进CPO的技术，将会是未来硅光子发展的重点。

因为硅光子在元件整合上，还有许多问题需要克服。举例来说，若要开发更高效能的光子元件结构和制程，必须拥有一个沟通平台，提供光电厂商设计规格、材料、参数等资讯进行整合。此外，硅光子短期内应用在利基型市场上，多为客制化服务，没有一个确定的产业标准，再来包含制造成本较高、元件效能和稳定性，要如何在制程上实现高效整合等问题，都是硅光子目前技术上遇到的挑战。