硅光芯片（Silicon Photonic Chip）是基于硅材料制造的一種新型集成芯片，它將傳統的電子器件與光學器件結合，實現了光信號的產生、傳輸、調制和探測等功能。這一技術的核心價值在于其能夠突破傳統電子芯片在帶寬、功耗和延遲上的物理極限，為下一代信息技術提供全新的解決方案。
據Yole報告，2023 年，硅基 PIC（芯片）市場規模為 9500 萬美元，預計到 2029 年將增長至 8.63 億美元以上，復合年增長率 (CAGR2023-2029) 為 45%。
硅光芯片的發展可以追溯到20世紀60年代，當時美國貝爾實驗室首次提出“集成光學”的概念。然而，在此后的幾十年里，由于工藝技術的限制以及市場需求的不足，硅光芯片始終未能走出實驗室階段。直到進入21世紀，隨著CMOS工藝的成熟和數據中心需求的爆發，硅光芯片才逐漸從理論研究轉向產業化探索。英特爾、IBM等科技巨頭的加入，更是推動了這一技術的快速發展。
近年來，AI大模型訓練、高性能計算和5G通信等新興場景對數據傳輸速率和能效比提出了更高要求，進一步加速了硅光芯片的技術迭代。根據業內人士的分析，硅光子技術正逐步從高端市場向消費級市場滲透，成為繼CMOS之后最具潛力的技術平臺之一。
產業格局
硅光子產業格局由多元化參與者組成：積極參與硅光子行業的主要垂直整合參與者（例如Innolight、思科、Marvell、Broadcom、Coherent、Lumentum、Eoptolink）；初創企業 / 設計公司（Xphor、DustPhotonics、NewPhotonics、OpenLight、POET Technologies、Centera、AyarLabs、Lightmatter、Lightelligence、Nubis Communications）；研究機構（例如 UCSB、哥倫比亞大學、斯坦福工程學院、麻省理工學院）；代工廠（例如 Tower Semiconductor、GlobalFoundries、AMF (Advanced Micro Foundry)、imec、臺積電、CompoundTek）；以及設備供應商（例如 Applied Materials、ASML、Aixtron、ficonTEC、Mycronic Vanguard Automation、Shincron）。所有這些參與者都為顯著的增長和多樣化做出了貢獻。
英特爾是最早研究硅光的巨頭廠商之一，其研究硅光子技術已經超過30年。英特爾稱，從2016 年推出硅光子平臺后，已出貨超過 800 萬個光子集成電路（PIC）和超過 320 萬個集成片上激光器，這些產品被很多大型云服務提供商采用。
英特爾的硅光技術，是用CMOS 制造工藝，把激光器、調制器、探測器等光學器件與電路集成在同一塊硅基片上，實現電子與光學結合。它支持波分復用（WDM）技術，能讓單條光纖同時傳輸多種波長的光信號，還有高效的光電轉換技術，使硅光模塊在數據中心等場景能提供高性能互連。
其之前推出的100G 和 400G 硅光模塊已經大規模商用，它正在跟云計算巨頭、網絡設備商合作，推動硅光技術標準化和普及。
在去年3月的OFC（光纖通信大會）上，英特爾展示了OCI（光計算互聯）chiplet，就是把一枚硅光芯片die和一片CPU die封裝在一起，組成一個系統，演示的是兩顆CPU靠光纖通信。
在這個過程中，OCI chiplet負責把CPU的電信號轉成光信號。英特爾在博客文章里提到，基于英特爾硅光子技術完全集成的OCI chiplet，雙向傳輸速率能達到4Tbps，在數十米距離內，單向支持64個32Gbps數據通道，上層協議跟PCIe Gen 5兼容。
雖說這一技術尚未進入量產，但這則演示顯然是給出了硅光集成技術未來發展的可能性的。而且不單是Intel，近一年開始探討光通信技術的企業至少還包括了英偉達、Synopsys等上下游市場參與者。
在去年的GTC大會上，英偉達宣布，臺積電和Synopsys將采用 英偉達的計算光刻平臺進行生產，以加速制造并突破下一代先進半導體芯片的物理極限。
臺積電和新思科技已決定在其軟件、制造工藝和系統中集成英偉達的cuLitho 計算光刻平臺，加快芯片制造速度，并在未來支持最新一代英偉達 Blackwell 架構 GPU。
黃仁勛表示：“計算光刻技術是芯片制造的基石。我們與臺積電和新思科技合作研發的 cuLitho 技術，旨在應用加速計算和生成式人工智能，為半導體微縮開辟新的前沿。”
英偉達還推出了新的生成式AI 算法，增強了 GPU 加速計算光刻庫 cuLitho，與當前基于 CPU 的方法相比，顯著改善了半導體制造工藝。
而在今年的GTC大會上，英偉達又推出 Spectrum-X Photonics，推出一體式封裝光學網絡交換機，將 AI 工廠擴展至數百萬 GPU。與傳統方法相比，它們集成了光學創新技術，激光器數量減少了4 倍，從而實現了 3.5 倍的能效提升、63 倍的信號完整性提升、10 倍的大規模網絡彈性以及 1.3 倍的部署速度。
黃仁勛表示：“AI 工廠是一種具有超大規模的新型數據中心，網絡基礎設施必須進行徹底改造才能跟上步伐。通過將硅光子技術直接集成到交換機中，英偉達 正在打破超大規模和企業網絡的舊有限制，并開啟通往百萬 GPU AI 工廠的大門?！?/p>
在數據通信市場，英特爾以61%的市場份額領跑，思科、博通和其他小公司緊隨其后。在電信領域，思科（Acacia）占據了近50%的市場份額，Lumentum（Neophotonics）和Marvel（Inphi）緊隨其后，相干可插拔ZR/ZR+模 塊推動了電信硅光市場的發展。在目前市場競爭中，中國廠商份額較少，但國內的中際旭創、新易盛、光迅科技、博創科技、銘普光磁、亨通光電等開始參與競爭， 推出了400G、800G甚至1.6T的硅光模塊，旭創1.6T硅光模塊更是采用自研硅光芯片并已處于市場導入期。
去年9月，九峰山實驗室成功點亮集成到硅基芯片內部的激光光源，實現了國內首次“芯片出光”技術突破。這一技術采用自研異質集成工藝，在8寸SOI晶圓內部完成了磷化銦激光器的工藝集成，利用光信號替代傳統電信號進行高速傳輸。這一突破不僅標志著中國在硅光芯片領域的自主研發能力邁上新臺階，也為未來大規模商用奠定了基礎。
背后驅動力
硅光芯片的產業化進程，正在重塑全球半導體產業鏈的權力結構。其之所以能夠在短時間內實現從實驗室到產業化的跨越，離不開其背后的核心驅動力。
硅光芯片的最大優勢在于其與現有CMOS工藝的高度兼容性。其核心競爭力在于其與現有半導體制造工藝的高度兼容性。傳統光通信器件往往需要復雜的分立組裝工藝，而硅光芯片通過與CMOS工藝結合，能夠直接利用現有的晶圓生產線進行大規模制造。這種兼容性不僅大幅降低了生產成本，還使得硅光芯片可以無縫融入現有的半導體供應鏈。
此外，新材料體系的應用也為硅光芯片的功能拓展提供了更多可能性。磷化銦（InP）、鈮酸鋰（LiNbO3）等材料的引入，彌補了硅本身作為發光材料的不足，進一步提升了芯片的性能。
隨著人工智能、大數據和高性能計算需求的快速增長，傳統電子芯片在帶寬、功耗和延遲方面的瓶頸逐漸顯現。尤其是在AI大模型訓練和推理場景中，海量數據的處理需求對芯片的算力和能效提出了前所未有的挑戰。硅光芯片憑借其高帶寬、低延遲和高能效比特性，成為解決這一難題的關鍵工具。
數據中心是硅光芯片最重要的應用場景之一。據統計，全球數據中心每年產生的數據流量已達到澤字節（Zettabyte）級別，傳統的銅纜連接方式在長距離傳輸中面臨嚴重的信號衰減問題，而光纖通信雖然具備高帶寬優勢，但其高昂的成本限制了大規模普及。硅光芯片通過將光電轉換功能集成到單一芯片上，既保留了光纖通信的高帶寬特性，又大幅降低了系統復雜性和部署成本。以800G光模塊為例，采用硅光技術的產品相比傳統方案可節省約30%的功耗，同時體積縮小40%以上。這些優勢使其成為云計算廠商和電信運營商的首選方案。
全面開花
盡管硅光芯片最初主要應用于數據中心和長距離通信等高端市場，但隨著技術的成熟和成本的下降，其應用場景正在迅速擴展至多個新興領域。硅光子技術正逐步成為智能駕駛、光計算及消費電子領域突破性創新的核心驅動力。
在智能駕駛領域，硅光固態激光雷達技術路線被視為實現大規模商用的關鍵路徑。當前激光雷達多依賴分立器件集成，面臨成本高、體積大、功耗及可靠性不足等瓶頸，而硅光芯片化方案通過CMOS工藝兼容的高密度集成，顯著降低了系統復雜度與制造成本。具體而言，硅基相控陣與光開關陣列兩種固態激光雷達方案，憑借其小型化、抗振動特性，正推動激光雷達從機械式向全固態演進。
Mobileye推出的硅光子激光雷達SoC（系統級芯片）采用調頻連續波（FMCW）技術，計劃于今年落地。該方案將多路激光發射、接收與信號處理單元集成于單一硅基芯片，體積縮小至傳統機械式雷達的1/10，同時成本降低至數百美元級別，滿足車規級可靠性要求。
不僅如此，硅光子技術在光計算領域的潛力同樣備受關注。隨著算力需求激增與傳統電子計算的能效瓶頸凸顯，光計算憑借其并行處理、低功耗及抗干擾優勢，成為突破馮·諾依曼架構限制的前沿方向。硅光平臺依托成熟的半導體工藝，能夠實現光波導、調制器等核心元件的納米級集成，為光量子計算芯片提供高密度、可編程的硬件基礎。硅基波導可穩定生成與操控光子糾纏態，而可編程光開關陣列支持量子態的高效路由。文獻顯示，硅光芯片已實現128模態的高斯玻色采樣，集成度較分立器件方案提升50倍，驗證了其在量子比特擴展中的可行性。這一進展被視作光量子計算走向實用化的重要里程碑。
在消費電子領域，硅光子技術的高集成特性完美契合了設備小型化趨勢。可穿戴設備、生物醫療傳感器等場景對空間利用率要求嚴苛，而硅光芯片可在微米尺度內整合光源、探測器與信號處理單元，顯著提升功能密度。其在微型化光譜分析、健康監測等場景的應用正逐步從實驗室走向商業化。Meta與硅光芯片廠商合作開發的光學模組，通過集成硅光調制器和波導，將圖像傳輸功耗降低40%，同時支持8K分辨率輸出這種跨領域的技術滲透，標志著硅光子從單一芯片制造向系統級解決方案的跨越式發展。
結語
這場以光子替代電子的技術革命，不僅是對傳統半導體產業的一次顛覆性創新，更開啟了通向"光電融合時代"的大門。面向未來，硅光芯片的產業化進程仍面臨多重挑戰。如何在提升集成度的同時控制熱效應？怎樣實現III-V族材料與硅基工藝的更優異質集成？能否突破光量子計算的可擴展性瓶頸？這些問題的答案將決定技術演進的深度與廣度。
