硅光芯片：并非电子芯片的“对头”而是“伙伴”
李培刚
北京邮电大学教授、博士生导师
当下科技竞争日趋激烈，最受人关注的芯片技术更是日新月异。当IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和其合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，人类正一步步逼近电子芯片的物理理论极限。
硅光芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不必追求工艺尺寸的极限缩小，在制造工艺上，也不必像电子芯片那样严苛，必须使用极紫外光刻机（EUV）。
那么，硅光芯片能否突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”？
仍存需要突破的技术瓶颈
“硅光子技术的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易。”北京邮电大学教授、博士生导师李培刚告诉科技日报记者，早在上世纪90年代，IT从业者就开始为传统半导体芯片产业寻找继任者，光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。“因技术上的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才率先重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。”李培刚说。
李培刚告诉记者，硅光芯片制造技术是基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行光器件开发和集成的技术，其结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，与现有的半导体晶圆制造技术是相辅相成的。
李培刚表示，我国十分重视硅光芯片产业的发展。但刚开始时，国内的高端硅光芯片以设计为主，流片主要还是在国外，芯片制备的周期长、成本高，制约了我国硅光子技术的发展，“加之国外限制中国的芯片技术发展，采取了一系列措施，对我国硅光芯片企业的发展造成了较严重的影响。”
李培刚告诉记者，硅光技术发展主要可以分为3个阶段：第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；第二，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像乐高积木一样，通过不同器件的组合，集成不同的芯片；第三，光电一体技术融合，实现光电全集成化。把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。“目前硅光技术已经发展到了第二阶段。”李培刚说。
在他看来，尽管硅光技术日趋成熟，硅光芯片即将进入规模化商用阶段，但是仍存在需要突破的技术瓶颈，如设计工具非标准化、硅光耦合工艺要求较高以及晶圆自动测试及切割等存在技术性挑战。
李培刚认为，我国在硅光芯片的研发上已经取得了技术突破，但在产业化方面，国产硅光芯片产业化技术还存在一些问题，包括结构设计、制造工艺、器件封装和应用配套等，需要不断发展成熟，“除了技术本身，硅光芯片的产业化也会受到材料、工艺、装备、软件、人才以及市场生态等综合因素的影响。所以，在对技术方面的研发进行投入之外，形成一个好的产业生态，搭建平台、优化生态，产业链上下游加大合作，对于硅光芯片的发展也是非常重要的。”李培刚说。
我国硅光芯片发展迅速
2017年11月28日，工信部正式批复同意武汉建设国家信息光电子创新中心，该中心由光迅科技、烽火通信、亨通光电等国内多家企业和研发机构共同参与建设，汇聚了国内信息光电子领域超过60%的创新资源，承载着解决我国信息光电子制造业“关键和共性技术协同研发”及“实现首次商业化”的战略任务，着力破解信息光电子“缺芯”的局面。
2017年，上海市政府将硅光子列入首批市级重大专项，投入大量经费，布局硅基光互连芯片的研发和生产，旨在打造硅光芯片全产业链，掌握关键核心技术，让国内企业摆脱对国外供应商的依赖。
2018年10月，由重庆市政府重磅打造的国家级国际化新型研发机构联合微电子中心有限责任公司在重庆注册成立，首期投资超100亿元。
工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。
在政策支持下，我国硅光芯片发展迅速。2018年1月，国内第一个硅光子工艺平台在上海成立，缩小了我国在加工制造上与国外的差距。
2018年8月29日，中国信科宣布我国首款商用“100G硅光收发芯片”正式投产。
2019年9月，联合微电子中心有限责任公司实现了8英寸硅基光电子技术工艺平台的通线。仅仅几个月，其自主开发的硅光工艺就达到了非常好的水平，并正式向全球隆重发布“180nm成套硅光工艺PDK”，这标志着该公司具备硅基光电子领域全流程自主工艺制造能力，开始向全球提供硅光芯片流片服务。
国家层面，支持硅光技术的利好政策纷至沓来，各地政府也纷纷入局。上海市明确提出发展光子芯片与器件，重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。湖北省、重庆市、苏州市等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。“根据各地的规划来看，很难看出各地布局实质性差异。各地将发挥自己原有的芯片产业基础，并积极引进新的企业，各尽所能发展硅光芯片产业。”李培刚说。
光与电未来将携手共赢
硅光技术因其诸多特性，已经成为业界下一个追逐的目标。随着产业化技术的不断成熟，产业环境不断优化，我国硅光芯片产业正蓄势待发。
根据英特尔的硅光子产业发展规划，硅光模块产业已经进入快速发展期。2022年，硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面将全面超越传统光模块，预测硅光模块的市场增速为40%，2024年达到39亿美元，届时有望占据整体市场规模的21%。
“目前来看，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成，要实现全光计算还需要很长的一段时间。”李培刚说，光子集成电路虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。
“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”李培刚说，在制造工艺上，两者虽然在流程和复杂程度上相似，但光子芯片对结构的要求不像电子芯片那样严苛，一般是百纳米级，“这大大降低了对先进工艺的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题”。
“光有光的优势，电有电的优势。”李培刚说，在某些应用场景中，两者有竞争，但更多的时候，二者是共赢关系。
“硅光芯片技术目前还没有电子芯片成熟，所以未知的因素很多，未来应把两者很好地衔接起来。”李培刚认为，电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。“未来我们可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”李培刚说。
记者 吴长锋
来源： 科技日报
光电芯片“陕影”显现，华为缘何瞄准它？
每经编辑：毕华章
不久前刚结束的武汉光博会，陕西源杰半导体研发副总Lucas，受邀发表演讲。
演讲结束，一众投资者蜂拥而上，争相交换名片。
那一刻，他感受到资本对于光电芯片的狂热。
投资人对陕西源杰的这番热情，或许也与近期的一轮投资入局相关。
彼时，这家位于陕西的激光器芯片公司，获得哈勃投资的注资，占比4.36%。
众所周知，哈勃投资是华为旗下负责投资业务的核心公司之一。究竟为何，让华为也对陕西源杰半导体伸出橄榄枝？
新经济赛道，无疑是促成因素之一。
尤其5G当口，流量激增，为光通信赋予广阔的市场空间——海量的数据需要高速光通信模块，搭载高速激光芯片进行传输。
诸多新赛道，显现其中的源杰等陕西本土芯片企业，或可视为国产光学芯片崛起的一个缩影。
破圈：“哪家靠谱？”“要不找它试试”
初冬，暖阳，午。
陕西省西咸新区，沣西新城清华科技园区，坐落着陕西源杰公司的测试厂。
二十公里以外的咸阳市高新技术产业园区，则躺着它们的晶圆厂。
步入陕西源杰测试厂，没有炫目的牌匾，白色为底，十四个黑色繁体字“陝西源傑半導體技術有限公司”一字排开。而在12月23日，陕西源杰已完成股份制改革。
低调，是不少到访者对这家企业的直观感受。
但今年，这家“低调”的激光器芯片厂 “被迫”迎来“高光”时刻。
分界点是“中科创星”投资的进入，哈勃投资的进入更加剧了资本市场的追捧。
这笔投资，用火速来形容也不为过。
通常情况下，哈勃投资需要三个多月的时间进行调研，但投资陕西源杰则压缩到一个月；原定两至三周的审批流程，只用了数天。
相比之下，哈勃对陕西源杰的投资，可算为数不多的个例。
自去年4月成立以来，哈勃投资已至少入局17家半导体行业科技公司，但大都集中在长三角一带。对陕西源杰的投资，可谓是在陕第一家。
而这背后，华为寻找国产替代供应链的投资风向，更值得关注。
当外界对陕西源杰尚且印象模糊时，业内很多拥有自己芯片产线的模块厂已经把源杰当作进高端芯片进口替代的选项之一。
图片来源〡摄图网
事实上，早在哈勃投资入局前，资本灵敏的嗅觉已经多次瞄准了陕西源杰。
时间轴拉近些看，今年6月的一轮战略融资中，陕西源杰一连获得中信、广发、中科创星等8家资方的投资。
此情此景，与当初公司初创时，已是两番光景。
回国创业的张欣刚，寻找投资的过程，起初还算顺利。其携带PPT，打算撬动投资者对激光器芯片的投资大门，但没有人相信，几千万元可以打造一条从晶圆到芯片的生产线，且几乎没有高端设计团队。因为彼时极少人认为，芯片的制造比芯片设计要难上几个数量级。聪明人可以搞芯片设计，但是不能造出芯片。
不知吃了多少闭门羹，终于有投资者松了口。将信将疑之下，对方仍然将一笔投资款分批打入。
就是靠着这第一笔两千万的投资，陕西源杰的生产线开始启动。
实际上，陕西源杰的“破圈”，并非一蹴而就，而是蛰伏八年的时间。
光电芯片的生产工艺，可以大致分为晶圆设计、外延生长、刻蚀、减薄抛光、封装等环节。
外延生长是半导体激光器芯片的核心技术，也是张欣刚一直以来的专攻方向，后来一度成为陕西源杰超越同行的优势所在。
光电子行业国内圈子小，产品“容易”冒尖——前提是产品质量过硬，性能可靠有保障。
陕西源杰正是如此。
——“中国光芯片企业哪一家靠谱？”
——“要不找陕西源杰试一试？”
华为关注到源杰，也是来自旗下公司工程师的推荐。“不少华为内部的工程师都待过国际大厂，他们对于光电子行业的产品很敏感。”张欣刚回忆道。
靠着这种口碑传播，陕西源杰最终打入华为这一“上层圈”。
目前，陕西源杰已经形成了MOCVD外延生长，晶圆生产，以及芯片全自动测试生产线，为华为等国内外大厂供货。
“危机”：对手抢占先机，源杰如何逆袭
然而，在激光器芯片行业走的每一步，都不轻松。
回陕创业初期，张欣刚尚未笃定要做激光器芯片的全产业线，转变源于一种强烈的“危机感”。
那时在创业初期，一次行业交流合作会上，国外晶圆大厂之强势，与依赖大厂而生存的一众代理商之弱势，反差明显。
这样的局面，令商业嗅觉灵敏的张欣刚油然生出“危机感”。
飞回陕西后，源杰的全产业链铺设步伐加快。5年后，更多业内人士才对“卡脖子”有了直观体验，“缺芯”之痛也更加真切。
这期间，张欣刚迎来了源杰的另一位重要合作伙伴。他是曾与张欣刚共事的伙伴Lucas——激光芯片专业博士，擅长芯片设计。
半导体领域分支广泛，源杰为何单单瞄准激光器芯片？
Lucas用经济学家熊彼特“创造性破坏”理论来解释。简单说就是，企业创新以求生存，会摧毁原有的经济形态，并给该行业带来新的活力。
而站在更宏观的视角，5G时代已来，流量激增下，海量的数据需要高速光通信模块搭载高速激光芯片进行传输，市场前景可观。
根据国际光学领域权威咨询机构 Light Counting的预测，2019-2023年全球光器件市场规模，将从70亿美元增长到120亿美元，而半导体激光器可占40%以上的份额。
“7年前在国内，且不说激光器芯片，就是提起半导体，也有不少人以为是收音机的某个部件。”张欣刚感慨道。
更何况，光电芯片的技术难度也颇有挑战性。
例如去年在美国洛杉矶举办的光通讯展览会上，一位谷歌技术专家曾总结，失效的光模块中，95%的原因在于其中的光芯片。
稳定可靠的光芯片，其重要性不言而喻。
光刻技术区〡源杰半导体
事实上，国外在光芯片领域早有布局，且不断收购兼并。借由整合产业链完成技术与业务转型，以求覆盖光通信芯片、光模块领域各个环节：2018年，Lumentum并购Oclaro；2019年，II-IV并购Finisar……
而在国内，不少光芯片企业尚在爬坡阶段，并购还未呈现大规模态势。不过，代表性企业，如华为和光迅科技等，已有动作。
其中，华为收购了英国CIP光子研发中心、硅光子厂商Caliopa。光迅科技收购了芯片提供商IPX、Almae，但规模相对都较小。
随着芯片行业一同成长起来的源杰，明显发觉到这些年入局者增多，市场也变得愈发火热。
今年7月，市场瞩目的中芯国际在科创板成功上市，创下当时科创板最大规模IPO。此后，半导体、芯片概念股持续走高。
火热的市场背后，也有一些令行业人士心寒之举。
前不久千亿级半导体项目被曝烂尾，这让张欣刚也忍不住感叹：快钱思维驱动之下，一些企业没把心思放在制造芯片上。
而回忆起陕西源杰最初找投资的阶段，张欣刚略带自豪，“当初我们用投资人分批打到账户里的4700万，完成了从晶圆到测试的全系列工作。”
把钱花在刀刃上，陕西源杰很会“省钱”。
张欣刚提到一个插曲，早先源杰打算向某日本厂家购买一台设备，报价百万左右。对方因为公司名气小而质疑他们的购买力，决定赴陕实地考察。
当源杰接机代表开着略显陈旧的奥拓车去接机，谁知，“对方以为我们是骗子，愣是不敢上车。”忆起这件趣事，Lucas忍俊不禁。
相较当初，目前的源杰已成功翻身，不仅融资1.2亿元，业绩也在快速爬坡。仅今年的销售额就已超过两个亿，净利润较去年翻了一番。
耐心：“半导体芯片是耐心与韧性打造的”
某种意义上，源杰的上述业绩，与它坚持的底线密不可分。不触碰底线，慢慢走总会是对的。
一款芯片设计需要数月，但要达到高可靠性与生产良率，往往要花数年时间。当年投资，隔年就可以销售，在业内是较为少见的。
而随着5G时代到来，市场对25G以上高速率芯片的需求逐渐释放。
近年来，我国在10G速率及以下的光通信芯片国产率尚可，2018年已达到80%。但25G及以上高速率光通信芯片则较为依赖进口，2018年国产化率仅5%。
今年六月，源杰宣布实现量产12波25G MWDM激光器芯片，被视为业内一大突破。
这一芯片将被用于5G基站CRAN前传网络建设中，以支持5G快速建设。
但其实，这款芯片的核心技术在三年前就已研发成功。此后，团队的大部分时间都是在对芯片进行严格的“双85”测试——在高低温高湿度等极端条件下，进行老化测试。
交谈中，Lucas提到，芯片企业创业初期，都会有这样的“职业病”——为了拿下某个项目，不顾自身量产能力，爱冒风险。
这其实是在速度与质量之间做取舍。
陕西源杰专利墙一角〡每经记者 肖婷婷 摄
他以源杰提供的5G基站某一高速产品为例。有些商家希望将产品直接上基站使用，但源杰一贯的做法是，先抽样测试，确保一个月以上的可靠性验证通过后，再供货。
起初，也有商家不理解，但这是源杰的底线。
这样的坚持，也源于芯片行业的一种“惯性”。
Lucas提到，以国外为例，在半导体行业，只要产品通过测试验证，客户不会轻易更改，一用可能就是好多年以上。
“我们希望凭借经得起测试验证的产品，和客户进行深度绑定，给客户提供长期价值。”
“源杰最不缺乏的，就是耐力和意念。”Lucas说道，科技企业创业的特点是迭代更新很快，一旦方向选定错误，就会一竿子打翻许多人的饭碗。
“只要犯错不碰触底线，慢慢走都会是对的。在半导体行业诸多变化中，这是我们需要做对的事。”他这样说。
而这一点，也是让中科创星为之动容的地方。
“坦白讲，从原理上来看，激光器芯片的研发并不难，几十年前就已经提出。现在火热的25G/50G DFB 芯片，十年前就有无数论文。但国内在这一领域之所以被‘卡脖子’，一是因为积累少，起步晚；二是像源杰这样有工匠精神的企业不多。”中科创星的创始人米磊说道。
今年6月份，在源杰的战略投资中，已留意许久的中科创星最终参投5000多万。
前路：向高端转化，为硅光子芯片蓄势
目前，陕西源杰的产品，主要用于三大市场领域：
PON领域(Passive Optical Network,无源光纤网络)、5G通信业务和数据中心。这三块业务的占比分别是4:5:1。
其中在PON领域，陕西源杰所占市场份额50%-70%，拥有国内最大的出货量。
但是对于源杰来说，进行产品迭代，实现从低端向高端转向的渴求越发强烈。而转化升级差距，可以比较直接地体现在出货芯片的价格上。
在陕西源杰的晶圆厂，一位车间负责人介绍晶圆厂生产线时，作了一个有趣的对比：
“这一片晶圆便宜些的，相当于一辆奥拓；贵一些的，就是一辆奥迪。”
日常，员工在传输晶圆时，负责人反复提醒，“小心啊，要是报废了，那可是好多辆奥迪。”
而当业务站稳脚跟后，源杰的目光已盯着行业升级的趋势。
目前，陕西源杰的激光器芯片所用到的材料，主要包括砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等，属于III-V族材料，适用于高速、高频等发光电子器件，开发出的激光器芯片最多可支持100G的信号传输速率。
而以数据中心这业务板块为例，400G数据中心网络已在部署中，未来突破800G或许也不远。
“如果真有那么一天，这类芯片到头了，市场不再需要，我们该怎么办？”Lucas说，也许三五年看不到这个瓶颈，但仍要未雨绸缪。
今年2月，陕西源杰出资150万美元，将与博创科技、Sicoya三方成立中外合资公司，提前为硅光子技术布局。
这是源杰目前预演的另一个分支——硅光芯片。
干刻与金属化技术区〡源杰半导体
比起眼下在做的高速率芯片，硅光芯片属于高功率芯片，研发周期更长，更看重可靠性。
未来这种芯片可制作成激光雷达，用在自动驾驶汽车上。短距激光雷达可应用于10-50米范围的车辆周边区域检测；远程激光雷达可应用于200米范围内障碍物和行人检测。
除了提早布局，在产品由低端向高端迭代升级上，陕西源杰还有更多打算。
Lucas坦言，不少客户与源杰合作，是由于国外类似产品价格太高，“我们就这样变成了一个以替代拉动为主的企业。”
放在国际视野下，源杰虽已实现了部分替代，但是对于国际领先技术动态的滞后感知，成为横在它面前的“拦路虎”。
对于不少像源杰这样的芯片初创企业，很多前沿性的技术动态，只能由工程师在论坛或者饭局中与他人不经意的交谈中，方才后知后觉，
“未来我们不希望只有靠一场饭局、一场论坛，才能获得市场上最前沿的消息。”Lucas说。
对于源杰来说，一段新的征途即将开启。
不久前，张欣刚在公司群里，发了一段陕西源杰二期工厂的实地航拍视频。
这是一片占地3万平方米，集晶圆厂、测试厂、员工宿舍为一体的光电芯片生产园区。
在这里，陕西源杰将完成光芯片由中低端向高端的转化，也将为另一条赛车道——硅光子芯片蓄势……
每日经济新闻
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