1   “云光互連”市場(chǎng)年增兩位數(shù)

AI及生成式AI正在深刻地改變著市場(chǎng)，也進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)更高速率、更高帶寬、更高能效的解決方案的需求。據(jù)光通信行業(yè)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)LightCounting（簡(jiǎn)稱LC）預(yù)測(cè)，100GbE及更高速的以太網(wǎng)光芯片數(shù)量將快速增長(zhǎng)，將從2024年的3660萬(wàn)，增加到2029年的8050萬(wàn)。其中硅光（SiPho）芯片的增長(zhǎng)最快，從2024年的960萬(wàn)，增加到2029年4550萬(wàn)。在硅光芯片中，最耀眼的明星是CPO（共封裝光學(xué)）端口，盡管從2024年開(kāi)始起步，2029年將增加到490萬(wàn)。

圖1 100GbE及以上的以太網(wǎng)光芯片市場(chǎng)

與此同時(shí)，端口的傳輸速率也在不斷提升，今天的速率是800Gbps，未來(lái)將達(dá)到3.2Tbps。

在市場(chǎng)營(yíng)收方面，LightCounting首席執(zhí)行官兼首席分析師Vladimir Kozlov博士指出，數(shù)據(jù)中心用可插拔光收發(fā)器市場(chǎng)增速顯著，2024年市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到70億美元，在2025-2030年期間，年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)到23%，期末市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)240億美元。基于硅光調(diào)制器的發(fā)展，光模塊的市場(chǎng)份額將從2024年的30%上升到2030年的60%。

廣義上，數(shù)據(jù)中心是目前光互聯(lián)技術(shù)的第一大應(yīng)用市場(chǎng)，其中的用戶主要包括 AWS 之類的超大云服務(wù)廠商。除此以外，這個(gè)市場(chǎng)也有其他的一些參與方，例如收發(fā)器的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)，還有來(lái)自全球的一些其他獨(dú)立玩家。由于這些企業(yè)大都沒(méi)有自己的芯片工廠，因此會(huì)帶來(lái)代工的巨大需求，ST（意法半導(dǎo)體）預(yù)計(jì)到2030 年，相關(guān)的硅光技術(shù)+BiCMOS的代工市場(chǎng)總規(guī)模將達(dá)到20億美元。

2   為何硅光與BiCMOS成新寵?

與現(xiàn)在流行的EML和VCSEL技術(shù)相比，硅光為可插拔式收發(fā)器帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，例如可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，并且具備更高的傳輸速度。 “預(yù)計(jì)未來(lái)幾年硅光在收發(fā)器市場(chǎng)中會(huì)占據(jù)最大份額，甚至有可能擠占傳統(tǒng)用于GPU短距離銅纜連接的市場(chǎng)份額。

圖2 硅光與EML/VCSEL比較

據(jù)LightCounting分析，200Gbps/通道是AI集群800/1.6T光模塊對(duì)傳輸速率的最低要求。從全部KPI指標(biāo)不難看出，硅光是高速光模塊的首選技術(shù)。

圖3 光收發(fā)器技術(shù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)（來(lái)源：LightCounting，2024年5月24日）

硅光技術(shù)的市場(chǎng)份額會(huì)隨著AI需求增長(zhǎng)而水漲船高。相比之下，EML(GaAs)技術(shù)將在常規(guī)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)和最高400G光模塊（每通道100Gbps）市場(chǎng)上保持穩(wěn)定良好的份額。業(yè)內(nèi)正積極研發(fā)克服100G/通道的速率極限。VCSEL(InP)在常規(guī)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)上保持穩(wěn)定份額，但局限于短距離連接應(yīng)用，因此市占率較低。業(yè)界正積極研發(fā)克服每通道100G的限制。

硅光技術(shù)以優(yōu)異的性能成為了希望之星。但如果想再進(jìn)一步提升能效，可以通過(guò) BiCMOS 工藝實(shí)現(xiàn)更加線性的電芯片，從而省去了DSP，以降低系統(tǒng)的整體功耗。

3   ST操刀代工，提供獨(dú)特的硅光和BiCMOS平臺(tái)

數(shù)據(jù)中心互連的核心是成千上萬(wàn)個(gè)光收發(fā)器，這些器件進(jìn)行光電和電光信號(hào)轉(zhuǎn)換，在GPU、交換機(jī)和存儲(chǔ)之間傳輸數(shù)據(jù)。它們大都是可插拔的——可以插入交換機(jī)或服務(wù)器，以構(gòu)建靈活的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

光收發(fā)器主要由三個(gè)半導(dǎo)體器件構(gòu)成：MCU（微控制器），用于控制收發(fā)器的操作；電子芯片（EIC），以驅(qū)動(dòng)光源/激光器，并放大信號(hào)；光芯片（PIC），進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖4 光收發(fā)器的結(jié)構(gòu)

ST近日宣布面向數(shù)據(jù)中心和AI集群帶來(lái)了高性能的云光互連技術(shù)，包括高能效的硅光解決方案 PIC100，以及BiCMOS工藝的B55和最新的B55X。“這些技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?！盨T射頻與通信子產(chǎn)品部（RFOC）副總裁Vincent FRAISSE告訴EEPW記者。

●   硅光技術(shù)儲(chǔ)備了10年，可在300毫米晶圓制造

早在十年前，ST就已開(kāi)始涉足硅光技術(shù)，但是由于當(dāng)時(shí)市場(chǎng)尚未成熟，并不適合量產(chǎn)。如今時(shí)機(jī)已成熟，ST推出了 PIC100新技術(shù)，它是目前市場(chǎng)上唯一能夠支持 300 毫米晶圓的單通道 200Gbps 的純硅技術(shù)平臺(tái)。

PIC100可把硅光的所有優(yōu)勢(shì)帶到市場(chǎng)上，而且?guī)?lái)了卓越的性能，“這些性能水平是目前其他的集成硅技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的”。Vincent FRAISSE稱。

本質(zhì)上，硅光PIC100的優(yōu)勢(shì)在于其緊湊性和集成性。因?yàn)槟軌驅(qū)⒔邮掌骱褪瞻l(fā)器集成到單個(gè)芯片中，即把收發(fā)器的調(diào)制器以及接收器的光電二極管也都能集成在一起。如果在光纖上利用多個(gè)波長(zhǎng)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，那么像復(fù)用器（MUX）和解復(fù)用器（DMUX）也能集成其中。

此外，PIC100采用了全新的材料堆疊，實(shí)現(xiàn)了光纖與光芯片的高效邊沿耦合，取代了傳統(tǒng)的垂直耦合技術(shù)，以減少系統(tǒng)損耗。而系統(tǒng)損耗一直是困擾所有傳輸技術(shù)開(kāi)發(fā)者的難題。

據(jù)悉，PIC100已被全球最大的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商和光收發(fā)器領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)采用。PIC100將在ST法國(guó)克羅爾的300毫米晶圓廠生產(chǎn)，計(jì)劃在2025下半年開(kāi)始量產(chǎn)。

●   為芯片互連的CPO(共封裝光學(xué))量身定制

除了數(shù)據(jù)中心的光纖連接，硅光連接器還適用于另一個(gè)市場(chǎng)——芯片到芯片的GPU互連。這是因?yàn)樾酒ミB面臨著連接密度提高和功耗增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)，因此出現(xiàn)了一股非常明顯的新勢(shì)力——用光學(xué)連接的方式來(lái)取代傳統(tǒng)的機(jī)架銅攬，以實(shí)現(xiàn)更加緊密和密集，來(lái)更好地適合GPU的物理尺寸。這是共封裝光學(xué)（CPO）的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景。如圖1所示，CPO市場(chǎng)可謂井噴。

而這些光到光互聯(lián)需要密集型調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)，以及定制化的電芯片解決方案以提升性能并進(jìn)行優(yōu)化，還需要硅通孔（TSV）技術(shù)來(lái)限制損耗，并通過(guò)3D封裝技術(shù)提高集成密度。

圖5  用光纖取代銅纜，需要OIO chiplet（芯粒）連接GPU

談及CPO與可插拔收發(fā)器的關(guān)系，Vincent FRAISSE指出，CPO肯定是未來(lái)的一個(gè)非常重要的方向，但它不是唯一的發(fā)展方向?？刹灏蔚氖瞻l(fā)器將會(huì)繼續(xù)發(fā)展，未來(lái)將會(huì)有更高吞吐量、更高速率、更佳的表現(xiàn)性能。

但就 CPO 本身，對(duì)于機(jī)架的后端，它的確是非常重要的，稱之為光學(xué)I/O（OIO）。結(jié)構(gòu)上，CPO與可插拔收發(fā)器其實(shí)是非常相似的。

那么，CPO的技術(shù)挑戰(zhàn)是什么？

★ 對(duì)于機(jī)架后端，未來(lái)最大的挑戰(zhàn)是緊湊性。這也是為什么ST未來(lái)將會(huì)專注于推出TSV緊湊型調(diào)制器。

★ 熱管理。需要實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)質(zhì)量，從而避免DSP 的使用。更重要的一點(diǎn)在于可靠性，因?yàn)閷蓚€(gè) GPU 連接在一起時(shí)，如果出現(xiàn)任何中間的一個(gè)比特傳輸?shù)腻e(cuò)誤，都會(huì)直接破壞AI算法的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的過(guò)程。

★ 可維護(hù)性。因?yàn)樗鼊偤梦挥跈C(jī)架的后端，仍然是需要可插拔的，也就是可拆卸的光纖。

為了幫助客戶解決痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)CPO產(chǎn)品，ST 將在 PIC100設(shè)計(jì)平臺(tái)內(nèi)提供構(gòu)建這些光學(xué)I/O（OIO）所需的所有工具套件。

●   新一代的BiCMOS技術(shù)：B55和B55X

BiCMOS是設(shè)計(jì)和制造低功耗、高可靠性的光互連跨阻放大器（TIA）和激光驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)。ST的BiCMOS B55和B55X工藝有優(yōu)秀的低噪聲性能和線性度，具有同類最佳的性能，是設(shè)計(jì)200Gps/通道和400Gps/通道光互連跨阻放大器和激光驅(qū)動(dòng)器的首選技術(shù)。

如今，在BiCMOS平臺(tái)上的客戶研發(fā)及與客戶的合作正在不斷加速。目前約有 20 家大客戶已經(jīng)在使用ST的BiCMOS 技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)電芯片。

新的B55X 不僅已用于收發(fā)器中，同時(shí)還用于大批量的射頻前端模塊。

談到未來(lái)，集成是一大趨勢(shì)。通過(guò)TSV，還可以將BiCMOS產(chǎn)品封裝到硅光器件的頂部，這是目前ST正在努力開(kāi)發(fā)的新工藝，也會(huì)引入到 PIC100的產(chǎn)品家族當(dāng)中。與此同時(shí)，因?yàn)樵摻鉀Q方案不需要DSP，也能夠幫助從系統(tǒng)角度來(lái)節(jié)約成本和進(jìn)一步提升功效。

4  ST代工的優(yōu)勢(shì)

與很多fabless企業(yè)不同，ST采用IDM（集成器件制造商）商業(yè)模式，涵蓋從工藝研發(fā)、芯片設(shè)計(jì)，到晶片制造、封裝測(cè)試、銷售服務(wù)的整個(gè)價(jià)值鏈條，因此技術(shù)全面扎實(shí)。

在硅光技術(shù)和BiCMOS工藝方面，ST有十年以上的歷史，無(wú)論P(yáng)IC100還是 BiCMOS 的技術(shù)都頂尖的，它們都在ST法國(guó) 300 毫米晶圓廠生產(chǎn)。除了代工，ST還提供芯片的設(shè)計(jì)和封測(cè)服務(wù)，為客戶帶來(lái)更多的價(jià)值。而且ST強(qiáng)調(diào)，不會(huì)開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品，以免與客戶形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

另外，ST的主要制造設(shè)備在法國(guó)，從地緣上接近不同類型的客戶，能夠?yàn)榭蛻籼峁┮涣骱酮?dú)立的服務(wù)，以幫助客戶構(gòu)建最佳產(chǎn)品。