随着AI、通讯、自驾车等领域对海量运算的需求激增，传统集成电路在摩尔定律下逐渐逼近物理极限。如何突破？答案是走向光——硅光子（Silicon Photonics）技术将电子与光子结合，不仅解决了讯号传输的耗损问题，更被视为开启摩尔定律新篇章、碘伏未来世界的关键技术。

一、什么是硅光子？

集成电路（IC）将上亿个电晶体微缩在一片芯片上进行复杂运算；而硅光子则是集成“光”路——把能导光的线路全数集中在硅平台上，将芯片中的“电讯号”转成“光讯号”，实现电与光讯号的传导。

随着计算机运算速度提升，芯片间的通讯成为瓶颈。例如ChatGPT刚推出时，问答过程中的卡顿和跳掉，就与数据传输问题相关。因此，在AI技术不断升级时，维持高速运算能力至关重要。

硅光子能提升光电传输速度，解决传统铜导线遇到的讯号耗损及热量问题。目前台积电、英特尔等半导体巨头已投入相关技术研发。

小提示： 硅光子并非取代现有芯片，而是在硅制程基础上引入光子，实现更高频宽和更低功耗，是“电子+光子”的融合方案。

二、光电收发模块如何运作？

先想象光电收发模块是一个类似USB的长方形模块，插进计算机后才能读取信息。光讯号必须先进入模块，然后打入服务器。

传统插拔式模块（transceiver，又称收发器）内部包含多种光电元件：

• 光接收器（PD，Photodetector）：接收光讯号。
• 放大器（TIA）：将电流信号放大，同时把电流信号转换成电压。
• 交换器（Switch）：处理并转换电讯号，判断电讯号应从哪个轨道出去。
• 光调变器（Optical Modulator）：搭配雷射光源输入，将电讯号再切换成光讯号。

这就是光电收发模块的基本概念。

三、硅光子和光电收发模块的关系

一个光电模块包含光接收器、放大器、调变器等元件，过去这些元件都是个别、零散地放在PCB板上。为了提升功耗、增加讯号传输速度，硅光子的“精神”就是把这些元件全整合到单一硅芯片上。

之所以说“精神”，是因为在硅平台上的任何光电讯号转换，都可以算作硅光子技术范畴，但不同阶段需要克服的挑战也不同。下面按硅光子发展的三个阶段来详细说明。

小提示： 硅光子并非一蹴而就，它经历了从模块级到芯片级的逐步集成，每个阶段都有明确的技术目标。

四、硅光子三部曲：集成电路下一步集成“光”路

第一阶段：从传统插拔式模块升级

硅光子已默默耕耘20多年。传统插拔式模块外型像USB，外接两条光纤分别传输输入和输出光。但电讯号进入交换器前需要走很长一段路（下图b），高速运算时损失大。为此，业界将硅光元件移到靠近服务器交换器外围的位置，缩短电流通路，原本的插拔式模块只剩下光纤。

这就是目前业界积极发展的“共封装光学模块”（CPO，Co-Packaged Optics）技术。主要做法是将电子集成电路（EIC）和光子集成电路（PIC）共同装配在同一个载板，形成芯片与模块的共同封装（下图d的CPO光引擎），使光引擎更接近CPU/GPU，缩减电传输路径，减少耗损和延迟。

据了解，这项技术能降低成本，资料量传输提升8倍，提供30倍以上的算力并节省50%功耗。但目前芯片组整合仍处于进行时，如何精进CPO成为硅光子发展的下一个重要步骤。

第二阶段：解决CPU/GPU对传问题

目前硅光子主要在解决插拔式模块的讯号延迟挑战。下一阶段，将解决CPU和GPU之间的电讯号传输问题。学界指出，芯片传输以电讯号为主，下一步要让GPU和CPU透过光波导进行内部对传，将电讯号全转为光讯号，加速AI运算并解决当前算力瓶颈。

第三阶段：全光网路（AON）时代来临

当技术再进一步，将迎来“全光网路”时代——芯片间的所有对传全部变成光讯号，包括随机存储、传输、交换处理等都以光讯号传递。目前日本已在硅光子导入全光网路方面积极布局。

五、硅光子如何开启摩尔定律新篇章？有哪些应用？

摩尔定律预测，相同尺寸芯片中能容纳的晶体管数量每18～24个月增加一倍。但由于芯片使用电讯号传输会造成讯号损失，即使晶体管数量增加，仍无法避免电耗损问题。

硅光子以光讯号代替电讯号进行高速资料传输，实现更高频宽和更快的处理速度，使芯片不必挤更多晶体管、不必追求更小奈米和节点，且能在现有硅制程基础上实现更高集成度和更高效能，进一步推动摩尔定律的发展。

利用高频宽、小尺寸、低能耗和成本效益等优势，硅光子可应用于：

• 生医感测
• 量子运算
• 机器学习
• 光学雷达（LiDAR）：例如未来Level 4~5的无人自驾车，面对复杂环境需要极快速讯号处理，硅光子技术为基础的LiDAR是备受看好的突破方式。

这些应用将带来革命性变化，促进通信、医疗和科学等领域的技术革新，开创更智能、高效的未来。

六、硅光子目前的技术瓶颈

目前硅光子在元件整合上仍面临诸多挑战：

• 界面沟通语言问题：半导体厂商了解电的制程，但光子元件效能对温度和路径敏感，制程上线宽与线距对光讯号影响大。需要沟通平台提供设计规格、材料、参数等，实现光电厂商信息语言整合。
• 封装制程与材料标准尚未统一：短期硅光子用于利基型市场，各类型封装制程与材料标准在陆续建立中。大部分提供硅光芯片下线的晶圆代工厂属于客制化服务，缺乏统一平台会阻碍技术发展。
• 其他瓶颈：高成本制造、光源集成、元件效能、材料匹配、热效应和可靠性等。

随着技术不断进步和创新，预计这些瓶颈在未来数年到十年内有望得到突破。

常见问题：
Q：CPO和传统插拔式模块有什么本质区别？
A：传统模块中光电元件分散在PCB板上，电信号传输路径长、损耗大；CPO将光子集成电路与电子集成电路共同封装在载板上，并靠近CPU/GPU，大幅缩减电传输路径，降低延迟和功耗。

Q：硅光子如何突破摩尔定律的物理极限？
A：摩尔定律的瓶颈在于电信号传输的损耗和发热。硅光子用光信号代替电信号，在不增加晶体管数量的情况下，实现更快传输和更高频宽，从而延续性能提升曲线。

Q：全光网路（AON）需要多长时间才能实现？
A：目前业界普遍认为全光网路是终极目标，预计需要5～10年以上的技术积累，日本等国家正在积极布局，但具体时间取决于光源集成、材料匹配等瓶颈的突破。

总之，硅光子技术正从实验室走向产业应用，从CPO到CPU/GPU光互连，再到全光网路，每一步都在打破传统电传输的桎梏。虽然目前仍面临标准化、成本等挑战，但台积电、英特尔等巨头的投入已预示着——光子与电子的融合，将开辟摩尔定律的全新篇章，为AI、自驾车、量子计算等前沿领域提供源源不断的算力支持。