发布日期：2026-02-13 13:26 点击次数：125
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硅光子技艺正在更正数据中心，而最大的变革还在后头。
可插拔光模块已在数据中心应用多年，并主导着横向彭胀通顺。下图是的 Jupiter 麇集，用于互连集群中的数千个 Ironwood TPU。图中大部分线缆为黄色，代表单模光纤 (SMF)。至于纵向彭胀，英伟达 CEO 黄仁勋客岁夏天曾露出，“咱们应该尽可能万古候地使用铜缆。” 大多数不雅察东谈主士合计，最多还能再用两到三代。
图 1：Google Jupiter 麇集
横向彭胀（scale-out ）汇荟萃存在多量通顺。每个机架王人配备一个机架顶部 (TOR)以太网交换机，领有 128 个以上的端口，其上方还有 1-2 层横向彭胀麇集。纵向彭胀（scale-up ）的链路数目则要多得多。举例，在 Nvidia NVL72 机架中，有 18 个交换机，每个交换机平直通顺到 72 个 GPU 中的每一个：18 x 72 = 每个机架 1296 个链路。跟着 NVL144 和 NVL576 等更大限度的 pod，每个机架的纵向彭胀链路数目也会增多。因此，当纵向彭胀继承光纤时，光纤市集将会大幅增长。
在2025年光纤通讯展（OFC 2025）上，OMDIA发布的光纤器件市集预测浮现，市集限度已从2003年的数十亿好意思元（主要应用于电信畛域）增长到2023年的约130亿好意思元，而后增长速率将显赫加速，展望到2030年将达到250亿好意思元，这主要获利于东谈主工智能麇集的发展。起始是横向彭胀，几年后是纵向彭胀。CignalAI最新的预测则合计，到2029年，市集限度将达到310亿好意思元。
图 2：光器件市集总限度
光学元件包括：
硅光子学是将原来踱步的光子器件集成到翻新的CMOS工艺中；
激光器、硅光放大器（SOA）以卓著他基于III-V族工艺（如磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs））制造的器件，以及封装、光纤、通顺器、适配器，用于在芯片之间提供通顺。
本文重心先容硅光子学。后续著作将筹划其他要津组件。
光如安在芯片间传输数据
数据中心的铜缆正在向光纤过渡。骨子的物理光通顺由光纤电缆已矣，这些电缆常常是“单模光纤”，用于传输单模或多波长的光。包层不错保护光纤，但更遑急的是，包层的折射率低于纤芯，从而使晴明鸠合在光纤中。光纤电缆市集限度浩大。市集招引者康宁公司每年销售价值 68 亿好意思元的光纤居品。Meta 公司最近与康宁公司达成了一项价值 60 亿好意思元的公约，将在明天几年内连接供应光纤电缆。
图 3：单模光纤电缆——骨子光纤直径为 8-9毫米，电缆直径为 2-3 毫米
骨子的光纤由玻璃制成，极其纤细——惟有9毫米，也等于1/100毫米。如斯微弱的直径使得光保执单模景况，而硅光子学恰是应用了这极少。
光纤通讯中使用的波长是O波段、E波段、S波段、C波段和L波段，因为这些波段在光纤中的信号损耗相对较低。它们王人位于红外光谱范围内。
图 4：光纤中的光传输频段
由于 O 波段在硅波导中的传输损耗低，因此被应用于硅光子学畛域。
在光纤或芯片的波导中，不错使用单波长或多波长信号。多波长信号不错通过两种方式已矣：粗波分复用 (CWDM) 和密集波分复用 (DWDM)。CWDM 指的是波长之间的间隔相对较大；DWDM 指的是波长之间的间隔相对较小。CWDM 和 DWDM 王人能提供更高的带宽，但它们的已矣挑战各不磋商。
请提防，尽管险些通盘用于互连的光纤王人是 SMF（单模光纤），但它们不一定不错互操作，因为光不错在单个或多个波长、不同波长和/或使用不同的通顺器上传输。
硅光子学应用
可插拔光器件
硅光子学刻下在数据中心市集的主要驱能源是可插拔光收发器。
它们是一种圭臬化的热插拔开拓，一端通顺到交换机或工作器的电气接口，另一端通顺到光纤。与它们所取代的铜缆比较，它们粗疏以更高的带宽和更低的功耗，通过光纤将数据从一个交换机/工作器高速传输到另一个交换机/工作器。
可插拔光收发器的主要组件包括：1）激光器；2）具有DSP功能和高速SerDes的CMOS芯片；以及3）硅光子芯片。在这些收发器中，硅光子调制器（常常为马赫-曾德尔调制器）对激光进行调制，以重复来自CMOS芯片的数据。此外，还有滤波器、耦合器、石榴石、透镜和间隔器。通盘这些组件王人封装在圭臬化的可插拔封装中。
Coherent 的 2025 年投资者论说预测，可插拔光器件市集将从 2023 年的 60 亿好意思元增长到 2030 年的 250 亿好意思元！到 2030 年，市集将主要以1.6T（1.6 太比特/秒）和 3.2T 数据速率为主，一些速率较慢的传统居品仍将连接出货。
光路交换机 (OCS)
谷歌多年来一直在谷歌云中使用光路交换机 (OCS) 。
与其他AI加速器不同，谷歌的TPU无需交换机，继承三维路由结构，可已矣数千个TPU组成的集群。其机架顶部（TOR）交换机使用可插拔光模块，并通顺到OCS层，从而已矣通盘这个词数据中心顶层互连的重新竖立。这关于冗余、可靠性和草率不断变化的责任负载的麇集重竖立至关遑急。谷歌的决策继承MEMS（微机电系统）镜，这些微镜可继承数百根输入光纤，并将光路导向数百根输出光纤中的大肆一根。
图 5：Google OCS 使用 MEMS 镜像来路由/切换灯光
Lumentum 和 Coherent 刻下也提供 OCS 技艺，别离继承 MEMS（Lumentum）和液晶（Coherent）。在 2025 年 12 月的一次金瓦解议上，Coherent 的首席引申官露出：“咱们相称看好 OCS。”客岁夏天，他们预测 OCS 的潜在市集限度 (TAM) 将最初 20 亿好意思元，但当今看到客户兴味日益浓厚，应用畛域也愈加通俗，因此他们将 TAM 的预估上调至最初 30 亿好意思元。
多家初创公司正在应用更紧凑的硅光子技艺开发“二维”光通讯系统（OCS）。这些公司包括 iPronics、nEye 和 Salience。它们王人在进行意见考据样品测试（nEye 和 Salience）或请托首批居品（iPronics）。这些技艺最终可能比现存架构更经济或更可靠。这些高密度惩处决策也可能使 OCS 粗疏应用于横向彭胀通顺，起始用于冗余/可靠性，然后用于全 GPU 到全 GPU 的 OCS 通顺，以至有一天可能取代硅分组交换机来已矣横向彭胀。
共封装光学器件 (CPO)
CPO可已矣比可插拔光学器件更高的密度和更低的功耗。
跟着和博线路喻将于 2025 年推出继承共封装光器件的以太网横向彭胀交换机以缩小交换功耗，CPO 已运转蚕食可插拔交换机的市集份额。
图 6：Nvidia Spectrum-X 横向彭胀交换机（含 CPO）
交换机是两个芯片（上图中红色方框内），上方袒护着液冷外壳。从顶部伸出的四根粗黑电缆是液冷相差线。可插拔激光器（上图中绿色方框内）位于图片底部盒子的顶部，用于提供信号载波。共有9个激光器，每个盒子可能包含8个激光器。不错看到9根黄色电缆从激光器通顺到交换机芯片。激光器继承可插拔设想是因为它们的故障率较高，这么在发生故障时不错泛泛更换，而无需更换通盘这个词交换机。左下角仅通顺了一根输入光纤——即黄色电缆。不错看到还有很多其他光纤通顺器。从I/O面板到芯片的光纤通顺必须位于咱们看不到的下方。
CPO（可插拔式）的节能上风（仅为可插拔式的三分之一）关于限度化应用而言真谛紧要，因为每个机架常常有最初1000个通顺。Nvidia、Broadcom、Ayar Labs、Celestial（最近被Marvell收购）、Lightmatter和Ranovus王人在奋勉于开发CPO惩处决策。
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图 7：配备 CPO 的 AI 加速器露出图
如今，通盘GPU/XPU/AI加速器王人使用铜缆通顺。正如英伟达的黄仁勋所指出的，刻下的趋势是尽可能万古候地使用铜缆。但铜缆的性能晋升已接近收益递减的瓶颈，更高的性能会导致通顺距离过短，从而增多造作率。光纤通顺将使AI加速器粗疏以更低的延伸和更大的芯片容量，执续晋升互连带宽。
Ayar Labs 与 Alchip 于客岁底展示了基于 CPO 的 AI 加速器意见图。加速器和 HBM 芯片位于硅中介层上，而光引擎芯片（图中展示了 8 个，包含最初 256 根光纤）则安设在有机基板上。明天，光引擎将平直安设在中介层上。
硅光代工，平坦大路
与CMOS比较，刻下的硅光子制造限度较小，但硅光子器件代工场将迎来巨大增长，台积电或将成为第一。
刻下主要的硅光子芯片代工场商是GlobalFoundries（最近收购了AMF）和Tower Semiconductor。此外还有一些限度较小的厂商，举例提供原型制作工作的imec、荷兰的LioniX以及马来西亚的Silterra。台积电、三星和联电王人在为其代工居品开发硅光子芯片技艺。
GlobalFoundries (GF)收购 AMF 后，宣称已成为大家排行第一的硅光子(SiPho)代工场，展望 2026 年 SiPho 收入将接近 3 亿好意思元，到本十年末将最初 10 亿好意思元。GF 硅光子副总裁兼总司理 Kevin Soukup 说，他们在新加坡领有两座晶圆厂，主要专注于 C 波段和 L 波段，主要用于资料关系应用。其中一座是他们收购的 AMF 晶圆厂，另一座是他们原有的限度更大的晶圆厂，该晶圆厂也继承 AMF 工艺。应用更大的晶圆厂，他们不错大幅晋升产能，知足资料客户的需求。
在马耳他，他们的 SiPho 晶圆厂专注于可插拔收发器和共封装光学器件。他们领有一种不错在芯片上制造 45nm CMOS 以及射频和/或硅光子器件的工艺。他们还不错制造不含 CMOS 的 SiPho 芯片。他们应用其12nm FinFET工艺的先进开拓来制造低损耗波导。他们还领有近似于台积电COUPE工艺的技艺，该工艺将电接口芯片（EIC）与光子集成芯片（PIC）集成到单个芯片中。他们撑执光纤输入的角落通顺和顶部通顺，但与COUPE不同的是，他们使用光学反射镜进行顶部通顺，将光反射90度角至角落通顺，从而无需使用光栅耦合器。这使他们在宽带畛域具有上风，因为光栅耦合器难以处理宽带信号。Soukup露出，他们的客户已在设想中“集成”了GF的CPO技艺，以已矣横向彭胀和纵向彭胀。
GF还预测，2026年大家排行第二的硅磷晶圆代工场营收约为2亿好意思元，第三约为1亿好意思元，第四约为5000万好意思元。将这三家工场的营收相加，并估算其余工场的营收，2026年硅磷晶圆代工场的总营收将不及10亿好意思元/年。这不到台积电年营收的1%。
Tower Semi 似乎是大家第二大硅光子器件代工场。据先容，开云Tower Semiconductor 的 PH18 SiPho 晶圆代工决策旨在知足日益增长的 O 波段和 C 波段数据中心互连市集需求。该平台由 Tower Semiconductor 位于好意思国加利福尼亚州纽波特比奇的 200 毫米晶圆厂提供。咱们、、公司浅近的多模样晶圆 (MPW) 穿梭测试筹画可提供低成本的快速原型制作工作。
与其他仅面向特定客户或仅限于小批量原型制作的“封锁式”工艺不同，Tower Semiconductor 的“通达式”平台面向通盘 SiPho 客户通达。Tower Semiconductor 业界最初的设想平台，专为光麇集和数据中心互连应用而设想。SiPho 工艺与公司的 SiGe BiCMOS 工艺相得益彰，通过提供高速电子器件以及光器件，为不断彭胀的数据通讯市集提供更完好的惩处决策。
值得一提的是，在2024年，Tower推出了全新的300毫米硅光子（SiPho）工艺，并将其动作圭臬代工居品。据先容，这项先进工艺是对Tower锻真金不怕火的200毫米（PH18）平台（刻下已已矣量产）的有劲补充，为客户提供了一款顶端惩处决策，旨在知掌握一代数据通讯应用中日益增长的高速数据通讯需求。
这款专有的 300mm 晶圆继承业内一流的硅波导和首先进的低损耗氮化硅波导技艺。更大的晶圆尺寸增强了与行业圭臬 OSAT（外包半导体封装测试）平台的兼容性，从而有助于与电子元件无缝集成，并提高全体成果。
除了上述两家公司除外，有些公司自行坐褥硅光子器件，举例英特尔和意法半导体。很多其他半导体/系统公司销售的硅光子居品则由代工场坐褥——举例，想科使用格罗方德（GlobalFoundries）的居品。
图 8：硅光子晶圆收入预测
数据中心东谈主工智能正激动硅光子代工场已矣迅猛增长：从2026年到2032年，短短六年间增长八倍。刻下，横向彭胀是主要驱能源。几年后，纵向彭胀将成为最大驱能源，因为数据中心纵向彭胀波及的口头远多于横向彭胀。
硅光子芯片的市集价值在出售时将远高于芯片自己，因为封装成本可能与芯片成本特殊，且利润率最初50%。DataM Intelligence预测，到2031年，硅光子集成电路市集限度将达到320亿好意思元；Precedence Research预测，到2034年将达到290亿好意思元。
横向彭胀（Scale-out）已运转向可插拔光器件（CPO）过渡，而纵向彭胀（Scale-up）在不久的将来也需要CPO。纵向彭胀需要CPO，是因为光子集成电路（PIC）必须有余小，才智在GPU角落集成多个PIC，何况每个PIC王人需要多量的光纤通顺。这就条目PIC中的要津电路微型化，尤其是调制器，常常继承微环调制器，而不是可插拔光器件中使用的体积更大的马赫-曾德尔调制器。横向彭胀转向CPO的原因是，其功耗比可插拔光器件低2/3：麇集传输中直率的每一瓦功耗王人不错用于贪图，从而带来收益。
台积篆刻下险些为英伟达、AMD、谷歌、AWS 等公司坐褥通盘 AI 加速芯片。这些芯片由开阔芯片组（GPU/XPU、HBM、I/O）组成。台积电条目封装内的通盘芯片组王人必须由台积电按照其PDK（工艺开发套件）和轨范坐褥，以确保正常运行和高良率。这意味着台积电集成的通盘硅光子芯片组王人将由台积电坐褥。一段时候以来，台积电一直在开发其COUPE工艺。很可能，他们开发这项工艺是为了反应其最大客户英伟达和博通的需求，这两家公司王人已于客岁运转在其横向彭胀交换机中部署 COUPE 工艺。
鉴于 a) 硅光子晶圆代工收入增长 8 倍需要多量成本开销； b) 台积篆刻下坐褥 AI 加速器中通盘非 HBM 芯片，明天五年内，跟着 AI 加速器向 CPO 过渡，台积电很可能从硅光子畛域的零基础跃升为大家第一的硅光子晶圆代工场。日蟾光等公司领有一定的 CoWoS 产能，因此可能会出现一些非台积电坐褥的有机衬底 CPO 居品。或者，格芯或其主要客户可能会劝服台积电使用格芯制造的光学引擎芯片——格芯刻下首先进的制程节点为 12nm，因此在 AI 加速器畛域对台积电并不组成竞争威迫。
硅光子器件、设想和芯片
CMOS 设想师常常会使用包含多量限定和公式的 1000 页 PDK（居品开发器具包）。这些 PDK 包括代工场提供的多个器件库（只消降服这些限定，这些器件就能协同责任），以及很多组成完好子系统的大型复杂 IP（学问产权）。
如今的硅光子学就像上世纪80年代的硅设想相通，那时晶圆厂的文档有限，只可用环形悠扬器来展示性能，设想东谈主员必须自行构建器件库，并从SPICE运转进行建模。硅光子学的茁壮发展，以及台积电弊端硅光子学畛域，有望在明天五年内带来更多结构和基础学问产权。像Synopsys和Cadence这么的公司如实提供硅光子学设想器具，但设想东谈主员正在开发的很多结构王人是全新的，需要从基础物理旨趣启航进行相称详备、耗时的底层建模。
图 9：光子集成电路平台的典型库组件：生成、路由、处理、检测和调制
硅光子器件继承 200 毫米和 300 毫米晶圆制造，工艺精度可达 65 纳米。所用晶圆为 SOI 结构，并带有至少 1 微米厚的埋氧层（BOX：SiO2），用于光间隔。如下图所示，这是因为在硅（或氮化硅）波导中传输的单模光主要在硅波导芯内传播，但部分光场会“走漏”到上方、侧面和下方的相邻材料中。因此，这些层必须有余厚，以闪耀力传播到其他有源区域。
图 10：波导中的单模光“走漏”到周围材料中
硅光子学的一大挑战是信号损耗——波导输入端的信号强度会跟着波导中每单元距离的传输而损耗。通盘光器件王人会产生信号损耗。若是信号损耗聚积过高，信号强度将不及以正常责任。因此，在硅光子学设想中，对信号损耗的精准为止至关遑急。
在硅光子学中，常常不使用CMOS晶体管（硅光子学和CMOS的集成依然运转——GF公司有一种将两者合并起来的工艺——但刻下还不普遍）。硅光子学工艺中常常可用的器件包括：
1、布线：波导，由硅和氮化硅制成。波导需要一定的高度和宽度才智保证光的单模传输，何况波导周围需要有有余的材料，以闪耀力与其他元件发生相互作用。波导不不错90度角急转弯。逶迤需要一定的最小半径，以确保光在波导内发生折射。真谛真谛的是，两个波导不错垂直交叉，且垂直光束之间的相互作用极小。这极少相称遑急，因为很多代工场只坐褥单层波导。
2、检测：检测分为两类：耦合器和光电探伤器。耦合器用于拿获从光纤参预芯片的光。将光耦合到芯片的最有用递次是使用角落耦合器，但光纤和芯片的瞄准可能具有挑战性。将光纤瞄准芯片以进行耦合的最约略递次是从上方使用光栅耦合器。一维光栅耦合器用于偏振光，二维光栅耦合器用于非偏振光。偏振光纤比圭臬单模光纤 (SMF) 贵得多，因此常常仅用于激光器到芯片的通顺——激光器通过信号损耗较低的一维光栅耦合器通顺到芯片。二维光栅耦合器不错拿获非偏振光，但体积更大、结构更复杂，何况信号损耗更大。它们用于数据信号。光电探伤器用于将波导中的光强度调度为可由配套 CMOS 芯片读取的电信号。光电探伤器继承锗制造，而锗并不是CMOS制造厂的常用材料。
3、调制：调制器用于将电信号调度到光信号上。在可插拔光器件中，调制器是马赫-曾德尔调制器。在CPO（耦合光子器件）中，调制器是微环，它是一种尺寸小得多的器件，关于松开CPO芯片的尺寸至关遑急，因为CPO芯片需要将数十根光纤集成到局促的空间内，以便与GPU耦合。如下图所示，加热器用于为止调制器，字据来自配套CMOS芯片的电信号，将比特插入到输入的激光束中。在高速传输时，这需要高速PHY来驱动调制器。机械应力和电压也不错用作光子器件的为止技能。
4、处理递次：继承插手仪竖立的马赫-曾德尔器件可用于构建光开关，该开关继承两束入射光并别离输出两束光。通过为止加热器，该开关不错竖立为输入0输出0、输入1输出1，或者输入0输出1、输入1输出0。这些开关的切换速率可达微秒级。
图 11：AMF（现为 GF）圭臬 MPW（多模样晶圆）经由的横截面视图
上图所示的氧化物窗口用于生物/化学光子传感器，使其粗疏与光场相互作用。这并非数据中心的应用。
常常，硅光子芯片不包含CMOS器件。与CMOS晶体管比较，光子器件的物理尺寸较大。举例，CMOS和SiPho芯片继承45nm工艺。尽管某些光子器件特点不错受益于先进的光刻技艺，但光子技艺短期内（以至可能恒久）王人无法集成到3nm或2nm工艺中。
图 12：硅光子芯片的露出图和芯片像片
讲究
应用硅光子技艺，当今不错制造出粗疏对光进行复杂操控的芯片。如上图所示，这些结构体积浩大，近似于早期的CMOS工艺。硅光子技艺在数据中心的主邀功能是在高性能CMOS贪图芯片和交换机之间，以及可能还有内存池之间进行数据传输。这些硅光子芯片将越来越多地集成到数据中心的每个单元中，咱们将很快习尚于看到带有亮堂黄色光纤的电路板，这些光纤传输着高带宽数据。工作器微处理器很可能也会继承这种技艺，用光学器件取代PCIe（外围组件互连） 。
硅光子制造的产业结构也将发生近似的变革，晶圆收入将已矣数目级增长，台积电有望凭借其在东谈主工智能加速器（包括光引擎在内的通盘芯片组件）制造中的作用，成为最大的供应商。台积电可能会像在CMOS畛域相通，将很多架构和基础设施引入硅光子畛域，从而以更短的时候和更低的成本开发出更复杂的光子芯片。
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