半导体周报0331-硅光芯片
半导体周报-0331
一、行业新闻及动态
1、半导体设计：
财联社3月14日电，美国加州半导体公司Cerebras Systems发布第三代晶圆级AI加速芯片“WSE-3”(Wafer Scale Engine 3)，规格参数更加疯狂，而且在功耗、价格不变的前提下性能翻了一番。WSE-3再次升级为台积电5nm工艺，面积没说但应该差不多，然而，晶体管数量继续增加达到惊人的4万亿个，AI核心数量进一步增加到90万个，缓存容量达到44GB，外部搭配内存容量可选1.5TB、12TB、1200TB。核心数量、缓存容量增加的不多，但性能实现了飞跃，峰值AI算力高达125PFlops，也就是每秒12.5亿亿次浮点计算，堪比顶级超算。
2、半导体制造及封测：
《科创板日报》11日讯，据科技媒体ZDNET Korea报道，业界消息称，国际半导体标准组织（JEDEC）的主要参与者最近同意将HBM4产品的标准定为775微米（μm），比上一代的720微米更厚。据悉，该协议预计将对三星电子、SK海力士、美光等主要内存制造商的未来封装投资趋势产生重大影响。如果封装厚度为775微米，使用现有的键合技术就可以充分实现16层DRAM堆叠HBM4。考虑到混合键合的投资成本巨大，存储器公司很可能将重点放在升级现有键合技术上。
财联社3月15日电，通富微电在投资者互动平台表示，公司掌握超大多芯片FCBGA MCM技术，实现最高13颗芯片集成及100×100mm以上超大封装。通过在多芯片组件、集成扇出封装、2.5D/3D等先进封装技术方面的提前布局，公司可为客户提供多样化的Chiplet封装解决方案，现已具备7nm、Chiplet先进封装技术规模量产能力。
《科创板日报》13日讯，消息人士称，三星公司急于在产量方面赶上竞争对手。三星的HBM3芯片生产良品率仅为10%至20%，而其韩国竞争对手SK海力士则高达70%。消息人士认为，良品率低是三星在赢得英伟达HBM3订单方面落后于其他内存厂商的关键原因。据称，为了弥补这一不足，三星正在采购芯片制造商使用的机器和材料，用环氧树脂填充内存芯片层间的缝隙。三星依靠自己的技术进行HBM3封装，并一直抵制向称为MR-MUF（大规模回流模塑填充）的新技术转移的尝试。
3、其他：
财联社3月14日电，韩国科学技术信息通信部14日发布的初步核实数据显示，韩国2月信息通信技术（ICT）出口额为165.3亿美元，同比增长29.1%，连续两个月增幅超过20%。据分析，人工智能（AI）市场迅猛膨胀，推动相关的芯片行业保持良好增长态势，从而带动整体ICT市场出口规模扩大。具体来看，半导体出口额为99.6亿美元，同比激增62.9%，连续4个月保持两位数增长。得益于固定交易价格调涨，以及高带宽存储器（HBM）等高附加值产品需求增加，存储芯片出口额为60.8亿美元，增幅高达108.1%。系统芯片增长27.2%，为34.2亿美元。
二、本周话题——硅光芯片
光通信是整个通信网络的支柱和底座。相较以太网、无线网络，光通信具有通信容量大、传输距离远、信号串扰小、抗电磁干扰等优点，是当前全球最主流的信息传输方式之一。光通信器件产业链主要分为上游光芯片组件、中游光器件模组以及下游光通信设备、电信、数通设备等应用。
不同通信技术特点比较
资料来源：国泰君安证券研究
光模块（Optical Modules）是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件，是光通信中的重要组成部分。光模块的产业发展趋势正向着“高速率、低成本、低功耗”发展。目前，光模块应用速率正从10G~40G向100G~400G升级，400G~800G技术的研发与商业化应用进程加快，并进一步向更高速的1.6T速率发展。
光芯片是光模块等光电子器件的主要组成部分，是现代光通信系统的核心。电光转换由光芯片实现，决定了信息传输速度和可靠性。现代光通信系统是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，同时由于一般电子设备仅能识别电信号，需要光芯片进行电光转换，将传输信息系统中的光信号转化为电信号。光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片。首先发射端通过激光器内的光芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端；接收端通过探测器内的光芯片进行光电转换，将光信号转换为一般设备能够识别的电信号；其中，核心的光电转换功能由激光器和探测器内的光芯片来实现，光芯片直接决定了信息的传输速度和可靠性；当前由于更高速率的光模块往往由多个中低速率光芯片组合实现，随着光模块速率的提升，光芯片在光模块的成本占比亦在不断提升。
光模块中的电光转换
资料来源：5G承载光模块白皮书，飞畅科技，国泰君安证券研究
光子集成技术，即光子集成电路技术（PIC，Photonic Integrated Circuit），与电子集成技术科类似，只不过集成的是各种不同的光学器件或光电器件，比如激光器、电光调制器、光电探测器、光衰减器、光复用/解复用器以及光放大器等。现有PIC所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、Si/SiO2，目前已经商用的大规模单片PIC采用的就是磷化铟材料。
硅光子技术是以硅或者硅基材料（Si, SiO2，SiGe）作为衬底材料，利用与集成电路兼容的CMOS工艺制造对应的光子器件和光电器件，以实现对光的激发，调制，响应等功能，广泛应用于设备互连、光计算等下游多个领域中。
硅光器件与产品主要可分为三个层次：（1）硅光器件：包括光源、调制器、探测器、波导等，是实现各种功能的基本单元；（2）硅光芯片：将光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集成芯片（探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等若干基本器件进行单片集成；（3）硅光模块：进一步将光源、硅光器件/芯片、外部驱动电路等集成到一个模块，包括光发送模块、光接收模块和光收发一体模块等，是系统级的硅光产品形态。
硅光器件的三个层次
资料来源：21世纪电源网，国泰君安证券研究
硅材料：
材料是影响光学器件性能的重要因素之一，不同材料对于光的作用不一样，包括对光的吸收、折射、反射，以及激发辐射产生光，因此材料的进步在光学器件行业发展中起到关键的推动作用。
硅材料的优点：能够兼容成熟的CMOS工艺，集成度高，封装工艺步骤减少，低成本和低功耗。
硅材料的缺点：间接带隙，直接发光难度高，光源集成难度较高，偏振敏感且耦合损耗较大。
不同光学材料的优缺点及应用领域
资料来源：英特尔，光库科技，中信建投
硅光模块与传统光模块的比较：
从硅光技术在光通信领域的应用来看，呈现传输距离越来越短，端口数越来越多的趋势。光通信在铜退光进的演进过程中，也伴随着传输距离的逐步减短。根据英特尔的观点，硅光通信技术早期应用于电信长距离传输网络之中，逐步往数通领域以及未来的板与板、芯片与芯片互连发展。电信传输中使用到的硅光产品数量较少，随着距离越来越短，需要连接的终端越来越多，因此硅光产品也将越来越多。
传统分立式光模块的工作原理及结构：
光模块由发射端（Transmitter）和接收端（Receiver）组成。数据传输过程如下：
光发射过程：电信号从交换机芯片经由PCB进入光模块，先经过DSP和CDR等进行电信号处理，然后信号经由驱动发给激光器和调制器，从而发射调制光信号，再通过发射端光引擎耦合到光纤中传输出去。
光接收过程：光信号到达目的交换机端口对应的光模块中，经过光接口接收，由接收端光引擎传至探测器转换成电信号，电信号经过TIA放大之后再经过CDR和DSP进行处理，最后传输到交换机芯片。
光模块拓扑结构示意图
资料来源：电子技术设计，Systemplus，中信建投
激光器：
硅光子技术主要对光模块中光相关的元器件产生影响，包括有源光器件（激光器、探测器和调制器）和无源光器件（隔离器，波分复用器件，透镜等）。
激光器是光模块内部有源光器件的核心。目前在硅光模块中，存在以下激光器的方案：英特尔的方案，通过在低温下的氧气环境下，实现III-V族激光器与硅光芯片之间的异质集成。单个通道配置两个DFB激光器，其中一个激光器为备份，通过MZM光开关来进行切换，该方案能够大幅提升激光器的可靠性；激光器Flip-chip方案也相对成熟。将激光器组件直接倒装焊到硅光芯片上，组件中可以包括激光器芯片、透镜、隔离器等元器件，能够节省光学耦合时间，有利于大规模量产。
外置激光器目前被越来越多的硅光子技术公司所采纳。采用外置大功率CW激光器方案，而调制器集成到硅光芯片上，这种方案能够降低激光器的成本，提升激光器的可靠性，同时模块组装工艺也更简单。
英特尔的硅光光源异质集成方案
资料来源：英特尔，中信建投
探测器：
在光模块中，探测器一般具备两个功能：1、在接收端一般用作将电信号转换成光信号。2、在发射端用探测器MPD可以用来监测激光器的发射功率是否正常。
传统的光模块中，一般采用的是III-V族InP基的光探测器，数通光模块的探测器一般是PIN型，在灵敏度要求较高的电信光模块产品上一般采用的是APD型。英特尔的硅光模块中，负责监控激光器和调制器的探测器是采用的硅基III-V族异质集成探测器，而在接收端负责转换光信号的探测器则是采用的锗硅探测器。
锗硅光探测器方案结构示意图 硅基-III/V异质集成光探测器示意图
资料来源：英特尔，中信建投
调制器：
光调制器基于电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等对光信号的作用原理，可以制作成不同的调制器产品。在光信号的发射、传输、接收过程中，光调制器被用于控制光的相位或幅度。
在光模块领域，主要存在以下几种调制器的方案：
传统的高速光模块中，在EML激光器里集成了调制功能。EML激光器里包括DFB激光器和EA调制器，DFB激光器负责发射单模光信号，通过EA调制器来实现高速率的传输速率。EA调制器主要是利用电吸收的特性，通过施加电压对光信号吸收从而达到调制的目的。
硅光和薄膜铌酸锂调制器中，一般采用马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator)）结构。输入波导拆分为波导干涉仪的两个臂，在其中一个臂上施加电压，则通过该臂的光信号会产生相移。当两个臂的光信号重新合并时，两个波之间存在相位差，干涉后实现振幅调制。微环型调制器由环形波导与bus波导构成。当外加电压时，相移器引入一定的相位延迟，导致微环的共振波长发生移动，干涉时光功率幅度产生变化。微环调制器尺寸小，响应快，但是对加工工艺的精度以及温度比较敏感，要求较高。
EML激光器结构示意图
资料来源：Lumentum，中信建投
光无源器件：
传统光模块中包含了诸多光无源器件，包括准直透镜、分光器、波分复用/解复用器件、隔离器和连接器等。
在硅光芯片中，可以集成光波导、波分复用/解复用和分光器等器件。因此一般在硅光模块中，不再需要准直透镜、棱镜、分光镜、潜望镜和波分复用的镀膜器件等，而隔离器和连接器一般还是需要的。
硅光子技术对无源光器件的影响，主要体现在制造工艺步骤的大大简化。在传统的分立式光模块中，需要将激光器、透镜、波分复用器件等逐一进行耦合、粘贴、烘烤和温循等操作，时间和人力成本较高，工艺步骤繁多带来过程良率易受到较大影响。硅光芯片能够大幅简化制造工艺过程，降低成本，提升良率。
总成本：
假设在同样的良率水平下，硅光模块相比较传统光模块的成本有一定的下降，主要体现在：
（1）硅光模块的光源成本相比较传统分立式方案，大幅降低。英特尔的激光器方案采用异质集成方案，成本较低；目前大部分厂商的光源方案采用大功率CW光源，将传统EML激光器中的EA调制器功能转移到硅光芯片上，成本显著降低。（2）硅光芯片能够集成部分光无源器件，降低成本。目前硅光芯片主要是用于发射端，因此能够集成发射端的准直镜、波分复用器件等光器件，有效的降低成本。（3）通道数越多，硅光方案制造工艺成本越有优势。400G往800G和1.6T升级时，主流方案中的通道数从四通道升级到八通道，传统方案中制造工艺步骤大幅增加，成本显著增长，而硅光芯片只需要多设计四个通道，工艺上变化较小，成本较低。
传统和硅光模块的成本拆分对比
资料来源：CW-WDM MSA，中信建投
技术支持：
CMOS平台为硅光技术提供工艺基础：
在设计工艺流程上，CMOS平台为硅光技术提供了强大的工艺总体路径。但相较于半导体CMOS工艺硅光技术还有以下特殊性:
（1）总体路径：硅光的发展并非像半导体一样延续尺寸和节点减小的发展路径，对硅光而言更小的工艺节点并非像集成电路等比缩小的重要性那样大；（2）版图特点：硅光器件间的尺寸差别大，存在许多不规则结构与其他半导体的版图区别较大;（3）工艺特殊性：各硅光器件对尺寸和工艺误差非常敏感，1 nm的工艺误差或将对硅光器件性能带来明显的影响，因而硅光工艺需要严格的尺寸精度控制;（4）材料特殊性：硅由于没有一阶线性电光效应、材料发光较难，哇不是最佳的调制器材料。同时硅对 1.1um 以上波长透明，无法作为通信波段光探测器材料，以硅材料为基底引入多材料是硅光的必然选择。
硅光芯片在设计流程上仍存在难点。如何做到与CMOS工艺的最大限度的兼容，如何进行多层次光电联合仿真，如何与集成电路设计一样基于可重复IP进行复集成应用的关键。
CPO封装技术：
CPO共封装技术使用高级封装技术把硅光模块和CMOS芯片集成到同一个封装内，是让光学引擎和交换芯片的电连接距离尽可能地短的光互连技术。CPO技术使光模块不断向交换芯片靠近以缩短两者走线距离，使光模块的功耗、尺寸和成本都进一步下降，有望逐步替代可插拔光模块。
可插拔模式（Pluggable）为传统的封装模式，光纤插在光模块上通过SerDes通道送到网络交换芯片（AISC）；近封装光学（NPO，Near packaged optics）是将光引擎与交换芯片分开，装配在同一块PCB基板上；共封装光学（CPO，Co-packaged optics）是将交换芯片和光引擎共同装配在同一个插槽上，形成芯片和模组的共封装。
CPO技术将传统的光传输和数据传输进行结合，使得传输效率提高，可靠性增强。CPO技术是基于传统的WDM技术和SDH技术发展而来，它利用WDM技术将不同波长的光信号传输到同一条光纤上，然后在光传输设备中使用SDH技术对光信号进行封装和解封装，使光信号和数据能够混合传输。
共封装示意图
资料来源：易飞扬通信，国泰君安证券研究
CPO封装技术具有以下优势：① 通过减少光器件和电路板之间的连接长度， CPO技术能降低信号传输中的损耗和功耗，提高通信速度，提升传输质量。与传统光模块相比，CPO在相同数据传输速率下可减少约50%功耗。根据Ayar Labs，以32×100Gb/s为例，现在所使用的交换机功耗436W，而CPO交换机通过共封装大幅度缩短电连接，功耗仅230W；② CPO技术可以有效降低封装成本。传统封装需要使用多层板、多个BGA等组件，CPO技术仅需一个光电共封装器件，即可完成整个系统封装；③ CPO技术使得整体系统集成度大大提升，尺寸缩小，性能提高。减小芯片封装面积，能提升硅光技术在数据中心应用场景的普及。
数据中心光模块是核心应用，CPO的部署将受到数据中心交换速率的推动。博通认为，随着数据中心内数据速率不断向更高速度和更复杂的调制技术发展，铜I/O正接近极限。而CPO有望实现CPU、GPU、各种器件的直接连接，从而实现数据中心内资源池化和内存分解。CPO还能减少光器件和电路板间的连接长度，进而降低信号传输损耗和功耗，提高数据传输速度和质量。根据CIR的市场报告，2023年超大型数据中心CPO设备收入将占CPO市场总收入的80%。
高性能计算（HPC）和AI给CPO带来新机会。AI集群所需的网络连接带宽将增加32倍、连接容量增加100倍，当前光模块速率已无法满足这一带宽提升需求。目前可插拔光模块的设计将使整个系统的成本增加一倍，并增加20-25%的功耗，内存访问也是AI集群和HPC的另一个瓶颈。CPO被认为是可以在AI集群和HPC中提供巨大的、高效的连接的唯一途径。同时，下一代计算平台XR对云计算、通信的低延迟、高数据速率亦有较高要求，有望成为拉升CPO需求又一推动力。
发展趋势：
光模块需求增长：
传统的三层树形网络拓扑中，带宽一般是逐层收敛的。上层树根处的网络总带宽要小于各叶子处交换机所有带宽的总和，因此在数据量爆发的时候，容易出现网络阻塞的问题。
在胖树网络架构中，交换机与光模块数量均大幅上升。英伟达的AI数据中心采用胖树架构，即使用大量相同带宽的交换机，构建出大规模的无阻塞网络，对于任意的通信需求，总有路径让他们的通信带宽达到网卡带宽，架构中用到的所有交换机都是相同的。
英伟达胖树网络架构示意图
资料来源：英伟达，中信建投
在AI数据中心中，越来越多的客户倾向于加快网络带宽的升级迭代节奏，包括光模块和交换机，因为带宽越大，单位bit传输的成本更低、功耗更低以及尺寸更小。1.6T光模块有望在2024年下半年开始批量化出货，比预期提早一年左右。800G光模块的高增速反映出AI对于带宽迫切的需求，其在2022年底开始小批量，2023年和2024年的出货量或将呈现高速增长的态势。AI对于带宽的需求快速升级，网络较高的性价比使1.6T光模块有望加速到来。
100G数通光模块时代，硅光子技术表现亮眼。随着数据中心的快速发展，对于光模块的需求爆发式增长，多家厂商开始大力研发用于数据中心的硅光模块。初期是40G硅光数通光模块小规模应用，而后英特尔和Luxtera（后被思科收购）等公司的100G硅光模块实现大规模应用，其中100G PSM4和100G CWDM4硅光模块是主要形态。根据英特尔的报告，截至2022年，英特尔共出货了超800万只硅光模块。
从100G往200G和400G升级，单通道的速率需要提升两倍或四倍，调制模式从NRZ转变为PAM4，对硅光调制器的设计和工艺提出了较高的要求。过去的几年来看，硅光模块在200G和400G均没有实现批量出货。从800G光模块目前在光口的主流方案是8x100G，相比较400G来说，也就说多了四个通道。对于硅光芯片来说，在设计上比较容易。因此在4-5年400G硅光模块的研发基础之上，800G硅光模块量产有望迎来突破。
1.6T光模块有望在2024年下半年批量出货，比预期提早一年左右。硅光和薄膜铌酸锂集成化方案在400G及800G时代的市场份额尚不高，但在多通道封装方案中仍具一定优势，且相较于EML，硅光调制器和薄膜铌酸锂调制器在带宽不断提升的背景下优势凸显。1.6T光模块的光口单通道速率是200G，预计是未来的主流选择，故硅光和薄膜铌酸锂或在1.6T时代有所突破。
五、行业现状及竞争格局：
随着大数据、云计算、5G等新兴技术的发展，国际数据中心市场规模扩大，全球数据中心流量以每年32%的速度飞速增长。云业务、云服务的增长刺激数据中心的大规模建设热潮，根据《数据中心白皮书》，预计2022年全球数据中心市场规模将达到746.5亿美元。全球数据中心市场规模预测
资料来源：《数据中心白皮书》，华经产业研究院，国泰君安证券研究
根据Yole预测，数通市场、电信市场预计将在2027年分别达到168亿美元和79亿美元的市场规模，CAGR预计分别为19%和8%，直接带动光模块、光芯片需求的快速增长。
硅光模块市场预测
资料来源：Yole，国泰君安证券研究
数通光模块在硅光子芯片应用市场中占据主要地位：根据Yole的统计数据，2022年全球硅光子芯片的市场规模为0.68亿美元，数据中心领域占比达94%，其中数据中心用到的数通光模块占比高达91%。预计2028年全球硅光子芯片市场规模增长至6.13亿美元，CAGR为44%，其中数据中心市场为5.68亿美元，CAGR为44%，NPO/CPO市场规模为300万美元，CAGR为16%，光互连I/O市场规模为0.14亿美元，CAGR为21%，光计算市场为0.05亿美元，CAGR为16%。
竞争格局：
从硅光模块的格局来看，思科和英特尔的市场份额远远领先于其他厂商。2022年的光模块市场来看，电信领域市场规模为12亿美金，思科份额为49%，Lumentum份额为30%；数通领域市场规模为5.1亿美金，英特尔占比61%，思科占比20%。
2022年数通及电信光模块市场份额
资料来源：Yole，中信建投
随着AI的快速发展，400G及800G等高速光模块的需求大幅提升，光模块头部公司的硅光方案进展处于行业领先地位。虽然思科和英特尔在当前的硅光市场占比较高，但是AI将带来更广阔的400G和800G硅光模块市场，而中际旭创、Coherent等公司有望获取大部分份额，颠覆行业竞争格局。
光模块头部厂商的硅光模块布局
资料来源：中际旭创，Coherent，新易盛，英特尔，英伟达，中信建投
