當電子走向光子:「矽光子」是什麼？

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隨著 AI、通訊、自駕車等領域對海量運算的需求漸增，在摩爾定律的前提下，積體電路的技術演進已面臨物理極限，該如何突破？那就是走向光，目前許多國內外廠商正積極布局「矽光子」（Silicon Photonics）技術，當電子結合光子，不只解決原本訊號傳輸的耗損問題，甚至視爲開啟摩爾定律新篇章、顛覆未來世界的關鍵技術。


積體電路（IC）將上億個電晶體微縮在一片晶片上，進行各種複雜的運算。矽光子則是積體「光」路，把能導光的線路全數集中。簡單來說，是在矽的平台上，將晶片中的「電訊號」轉成「光訊號」，進行電與光訊號的傳導。


隨著科技進步迅速、電腦運算速度提升，晶片間的通訊成為電腦運算速度的關鍵。去年 ChatGPT 剛推出，問答過程中易出現卡頓、跳掉的狀況，也和數據傳輸問題相關，因此 AI 技術不斷升級時，維持運算速度是迎接 AI 時代的重要一環。


矽光子能提升光電傳輸的速度，解決目前電腦元件使用銅導線所遇到的訊號耗損及熱量問題，因此台積電、英特爾等多間半導體巨頭已經投入相關技術研發。對此《科技新報》也特地詢問到工研院電子與光電系統研究所組長方彥翔，了解這項關鍵技術的背後運作。


但在介紹矽光子應用與瓶頸前，我們需要先了解光電收發模組的運作：


光電收發模組如何運作？
先想像光電收發模組是類似 USB 的長方形模組，插進電腦後才能讀取資訊。換言之，光訊號必須先進入該模組，才能將訊號打入伺服器。


傳統的插拔式模組（transceiver，又稱收發器）內部有許多光電元件，當光訊號進去模組裡，會需要光接收器（PD，Photodetector）來接收光，之後訊號源進入模組，因為光的電流很小，需要放大器（TIA）將電流信號放大，同時把電流信號轉換成電壓。


電訊號進入主機後會遇到交換器（Switch），能將電訊號進行處理、轉換，判斷電該從哪個軌道出去，出去後經過光調變器（Optical Modulator），同時搭配雷射光源輸入的情況下，將電訊號再切換成光訊號，這就是光電收發模組的概念。


矽光子和光電收發模組有什麼關係？
一個光電模組包含光接收器、放大器、調變器等許多元件，過去這些元件都是個別、零散地放在 PCB 板上，但為了提升功耗、增加訊號傳輸速度，這些元件改成全整合到單一矽晶片上，方彥翔也強調，這是矽光子的「精神」。


之所以說「精神」，是因為在矽平台上的光電訊號轉換，都能算在矽光子技術範疇，過程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會以矽光子發展至今的每個階段，作為分享的主軸。


積體電路下一步積體「光」路：矽光子三部曲
矽光子第一階段：從傳統插拔式模組升級
矽光子已默默耕耘 20 多年，傳統的矽光子插拔式外型非常像 USB 介面，外接兩條光纖，分別傳輸進去和出去的光；但插拔式模組的電訊號進入交換器前，必須走一大段路（如下圖 b），在高速運算損失又多(大)，所以為了減少電損失，矽光元件改到接近伺服器交換器週邊的位置，縮短電流通的距離，而原本的插拔式模組只剩下光纖。


而上述這個作法，正是目前業界積極發展的「共封裝光學模組」（CPO，Co-Packaged Optics）技術。主要是將電子積體電路（EIC）和光子積體電路（PIC）共同裝配在同一個載板，形成晶片和模組的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發模組，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 晶片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及訊號延遲。


據工研院了解，這項技術能降低成本，資料量傳輸提升 8 倍，提供 30 倍以上的算力並節省 50% 功耗。但目前晶片組的整合仍處於現在進行式，如何精進 CPO 技術，成為矽光子發展的下一個重要步驟。


解決 CPO 瓶頸然後呢？矽光子第二階段：解決 CPU/GPU 對傳問題
目前矽光子主要在解決插拔式模組的訊號延遲之挑戰，隨著技術發展，下一階段將會是解決 CPU 和 GPU 傳輸的電訊號問題。學界指出，晶片傳輸以電訊號為主，所以下一步要讓 GPU 和 CPU 透過光波導進行內部對傳，將電訊號全轉為光訊號，來加速 AI 運算並解決目前算力瓶頸。


矽光子終極第三階段：全光網路（AON）時代來臨
當技術再往下一步走，將迎接「全光網路」時代，意思是晶片間的所有對傳全變成光訊號，包括隨機存儲、傳輸、交換處理等都以光訊號傳遞。目前日本已在矽光子導入全光網路這部分積極布局。


矽光子如何開啟摩爾定律新篇章？能導入哪些應用領域？
摩爾定律預測，相同尺寸晶片中能容納的電晶體數量，因爲製程技術推進，每 18～24 個月會增加一倍。但由於晶片是電訊號，傳輸會有訊號損失的問題，即使單位面積電晶體數量漸增，仍無法避免電耗損的問題。


然矽光子技術的出現，以光訊號代替電訊號進行高速資料傳輸，實現更高頻寬和更快速度的數據處理，使晶片不需擠更多電晶體數量，不需追求更小奈米和節點，且能在現有矽製程基礎上實現更高集成度、更高效能的選擇，進一步推動摩爾定律的發展。


由於高頻寬、小尺寸、低能耗和成本效益等優勢，矽光子在通訊和高速運算領域極具發展潛力，可應用於生醫感測、量子運算、機器學習、光學雷達（LiDAR）等領域。以光達為例，若未來發展到Level 4~5的無人自駕車，面對複雜的外在環境，訊號處理必須非常快速，以矽光子技術為基礎的 LiDAR 感測是目前相當被看好的突破方式，這些應用潛力將帶來革命性的變化，促進通信、醫療和科學等領域的技術革新，開創更智能、高效的未來。


矽光子目前技術瓶頸在哪？
目前矽光子在元件整合上仍有諸多挑戰，首先是介面溝通語言問題，方彥翔舉例，半導體廠商雖然了解電的製程，但因為光子元件效能對溫度和路徑都很敏感，製程上線寬與線距對光訊號影響相當大，若要開發更高效的光子元件結構和製程，需要一個溝通平台，提供設計規格、材料、參數等，進行光電廠商的資訊語言整合。


再者，短期矽光子用於利基型市場，各類型的封裝製程與材料標準也還在陸續建立中，大多提供矽光晶片下線的晶圓代工廠都屬於客製化服務，或者不方便提供給他廠使用，缺乏統一平台恐阻礙矽光子技術的發展。


除了以上提到的缺乏共通平台外，高成本製造、光源集成、元件效能、材料匹配、熱效應和可靠性等也是矽光子製程瓶頸之一。隨著技術的不斷進步和創新，預計這些瓶頸在未來數年到十年內有望得到突破。