矽光技術是在矽和矽基襯底材料（如矽、矽鍺、絕緣襯底矽 SOI 等）上，利用互補金屬氧化物半導體(ti) （COMS）工藝進行光器件開發和集成的新一代技術，其核心理念是用激光束代替電子信號進行數據傳(chuan) 輸。矽光芯片就是利用成熟的半導體(ti) 工藝，在矽基上直接蝕刻或集成調製器、接收器等器件，從(cong) 而實現調製器、接收器、無源光學器件高度集成的芯片。

目前市場上的主流通信傳(chuan) 輸方式是通過光模塊來實現光 - 電信號的傳(chuan) 輸。矽光芯片要取代成熟的光模塊，到底有何優(you) 異之處？隨著 AI 的不斷推進，數據中心的數據量呈指數級上升，但傳(chuan) 統的電信號傳(chuan) 輸在高速傳(chuan) 輸上有明顯的缺點。據 Intel 公布的數據顯示，在一個(ge) 數據中心內(nei) 部電路上，如使用 PCB 進行傳(chuan) 輸，在兩(liang) 個(ge) 芯片物理距離超過 1 米以上的情況下，接收端收到的信號強度僅(jin) 為(wei) 傳(chuan) 輸端的萬(wan) 分之一。而光纖在以往的案例上已經證明了其在長距離傳(chuan) 輸上損耗較少，因而光信號傳(chuan) 輸在數據中心時代有得天獨厚的優(you) 勢。傳(chuan) 統的光模塊上，各類調製器、器件實際上是在 PCB 上通信，而隨著人工智能時代的來臨(lin) ，PCB 通信的製約越來越多。這種情況下，更高集成度、更低功率、更強速率的矽光芯片成為(wei) 更佳選擇。

圖表 1：矽光芯片的優(you) 勢與(yu) 缺點。數據來源：公開資料、RimeData 來覓數據整理

自上世界 80 年代發明以來，矽光芯片由於(yu) 製備難度大的缺點，場景一直相對比較局限。但根據 C114 通信網消息，矽光芯片最近的突破性進展包括引入了在矽上製造有源光學元件的創新方法，並在幾年內(nei) 實現了量產(chan) ，未來矽光技術進展有望加速。根據知名谘詢機構 Yole 對市場數據的統計和預測，2022 年全球矽光市場規模達到 6,800 萬(wan) 美元，受益於(yu) 用於(yu) 提升光纖網絡容量的數據中心收發器的推動，預期 2028 年全球矽光市場規模將達到 6 億(yi) 美元，期間矽光芯片年複合增長率預估為(wei) 44%。

圖表 2：2022-2028E 矽光芯片市場規模（單位：百萬(wan) 美元）。數據來源：Yole、RimeData 來覓數據整理

矽光芯片中的光器件可以分為(wei) 有源器件和無源器件。有源器件包括激光器、調製器和光電探測器；無源器件包括平麵波導、光柵或邊緣耦合器等。基於(yu) 這些器件，可以構成光發射 / 接收芯片，並開展陣列化的應用，最終通過光子集成技術（PIC）來實現矽光芯片。矽光產(chan) 業(ye) 可分為(wei) 三個(ge) 層次：矽光器件、矽光芯片和矽光模塊。矽光器件包括光源、調製器、探測器、波導等，是實現各種功能的基本單元；矽光芯片是指將光發送集成芯片、光接收集成芯片、光收發集成芯片、相同功能器件陣列化集成芯片（探測器陣列芯片、調製器陣列芯片等）等若幹基本器件進行單片集成；矽光模塊是指進一步將光源、矽光器件 / 芯片、外部驅動電路等集成到一個(ge) 模塊，包括光收發模塊、光接收模塊和光收發一體(ti) 模塊等，是係統級的矽光產(chan) 品形態。

圖表 3：矽光芯片產(chan) 業(ye) 鏈。數據來源：21 世紀電源網、RimeData 來覓數據整理

業(ye) 內(nei) 認為(wei) ，矽光芯片可以分為(wei) 三個(ge) 階段：第一階段為(wei) 矽器件逐步取代分立元器件，即用矽把光通信底層器件做出來，達到工藝的標準化；第二階段為(wei) 集成技術從(cong) 耦合集成向單片集成演進，實現部分集成，再把這些器件像堆積木一樣組合起來，集成不同的芯片；第三階段為(wei) 光電一體(ti) 技術融合，實現光電全集成化。根據中科院半導體(ti) 研究所的王啟明院士介紹，目前矽光芯片技術正發展到第二階段。矽光芯片要實現大規模應用，需要依托矽材料與(yu) 不同種類光電材料的異質集成，以充分發揮各種材料的優(you) 異特性。

圖表 4：矽光模塊集成發展方案。數據來源：華中科技大學、RimeData 來覓數據整理

國家政策不斷鼓勵矽光芯片發展。2017 年 11 月 28 日，工信部正式批複同意武漢建設國家信息光電子創新中心，該中心由光迅科技、烽火通信、亨通光電等多家企業(ye) 和研發機構共同參與(yu) 建設，匯聚了國內(nei) 信息光電子領域超過 60% 的創新資源，承載著解決(jue) 我國信息光電子製造業(ye) " 關(guan) 鍵和共性技術協同研發 " 及 " 實現首次商業(ye) 化 " 的戰略任務，著力破解信息光電子 " 缺芯 " 的局麵。工信部 2017 年底發布的《中國光電子器件產(chan) 業(ye) 技術發展路線圖（2018-2022 年）》指出，目前高速率光芯片國產(chan) 化率僅(jin) 3% 左右，要求 2022 年中低端光電子芯片的國產(chan) 化率超過 60%，高端光電子芯片國產(chan) 化率突破 20%。2023 年 11 月，國家自然科學基金委員會(hui) 提出，要資助 CMOS 兼容的矽光器件、接口及矽基三維集成工藝等。此外，2024 年兩(liang) 會(hui) 上，中科院微電子所研究員王宇建議，將矽光芯片產(chan) 業(ye) 發展明確列為(wei) 政府支持範圍，並鼓勵企業(ye) 、資本、人才聚集矽光芯片產(chan) 業(ye) 鏈，推動相關(guan) 細分領域產(chan) 業(ye) 化。

在政策帶動下，各地政府也紛紛入局。上海市明確提出發展光子芯片與(yu) 器件，重點突破矽光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發與(yu) 應用，對光子器件模塊化技術、給予 CMOS 的矽光子工藝、芯片集成化技術、光電集成模塊封裝技術等方麵的研究開展重點攻關(guan) 。2018 年 10 月，由重慶市政府重磅打造的國家級國際化新型研發機構聯合微電子中心有限責任公司在重慶注冊(ce) 成立，首期投資超 100 億(yi) 元。2023 年 9 月，湖北省人民政府提出搭建國際領先的矽光芯片創新平台，支持武漢新芯、國家信息光電子創新中心等單位建設國內(nei) 首個(ge) 12 英寸商用矽光芯片創新平台。

目前矽光行業(ye) 由海外公司主導。2024 年 2 月 22 日在國際固態電路大會(hui) （ISSCC 2024）上，台積電正式公布了其用於(yu) 高性能計算 （HPC）、人工智能芯片的全新封裝平台。台積電的新封裝技術通過矽光子技術，使用光纖替代傳(chuan) 統 I/O 電路傳(chuan) 輸數據。而另一大特點是，使用異質芯片堆棧在 IC 基板上，采用混合鍵合來最大化 I/O，這也使得運算芯片和 HBM 高帶寬存儲(chu) 器可以安裝在矽中介層上。這一封裝技術將采用集成穩壓器來處理供電的問題。

去年以來，台積電已頻頻傳(chuan) 出布局矽光及 CPO（光電共封裝）的動向。2023 年末有消息稱，台積電正與(yu) 博通、英偉(wei) 達等大客戶聯手開發矽光及 CPO 光學元件等新品，最快 2024 年下半年開始迎來大單，2025 年有望邁入放量產(chan) 出階段。業(ye) 內(nei) 分析稱，高速資料傳(chuan) 輸目前仍采用可插拔光學元件，隨著傳(chuan) 輸速度快速進展並進入 800G 時代、未來更將迎來 1.6T 至 3.2T 等更高傳(chuan) 輸速率，功率損耗及散熱管理問題將會(hui) 是最大難題。而半導體(ti) 業(ye) 界推出的解決(jue) 方案，便是將矽光子光學元件及交換器 ASIC，通過 CPO 封裝技術整合為(wei) 單一模組，此方案已開始獲得微軟、meta 等大廠認證並采用在新一代網路架構。2024 年或將成為(wei) " 矽光元年 "。

投融動態

矽光芯片曾是阿裏巴巴達摩院發布的 2022 年十大科技趨勢之一，達摩院認為(wei) 光電融合、矽光和矽電子取長補短將驅動算力持續提升，未來 3 年，矽光芯片將支撐大型數據中心的高速信息傳(chuan) 輸；未來 5-10 年，以矽光芯片為(wei) 基礎的光計算將逐步取代電子芯片的部分計算場景。目前全球矽光產(chan) 業(ye) 都處於(yu) 比較初級的階段，英特爾在該領域下注頗多，其 2018 年推出的 100Gbit/S PSM4 QSFP28 矽光模塊累計出貨量超 300 萬(wan) 支；目前英特爾、英偉(wei) 達、思科、Acacia 等國際巨頭，以及國內(nei) 的中際旭創、光迅科技等企業(ye) 紛紛在矽光技術領域加碼布局。AI 芯片巨頭英偉(wei) 達持續關(guan) 注矽光技術的發展，曾在 2022 年的 OFC 展示了使用密集波分複用 CPO 器件的目標，以及如何將矽光用作交叉連接機架的傳(chuan) 輸和機架的 GPU 計算引擎；英偉(wei) 達參與(yu) 了矽光廠商 Ayar Labs 的 C 輪 &C1 融資；台積電於(yu) 2023 年入局，並計劃於(yu) 2024 年量產(chan) 矽光芯片，2025 年訂單會(hui) 集中爆發。

在當前中美科技競爭(zheng) 的背景下，國內(nei) 企業(ye) 開始測試並驗證國內(nei) 的矽光產(chan) 品，尋求國產(chan) 替代，以促進矽光芯片行業(ye) 的自主化進程。當前部分中國光芯片企業(ye) 已進行了一定的技術積累，如華為(wei) 海思、阿裏等已經率先采用新型矽光芯片進行研發和生產(chan) ，如華為(wei) 6G AI 芯片、阿裏雲(yun) 芯片等，尤其是部分初創企業(ye) 的設計能力具備一定的全球市場認可度與(yu) 競爭(zheng) 力。目前國內(nei) 矽光芯片的參與(yu) 者主要分為(wei) 兩(liang) 大類：一類是傳(chuan) 統光模塊企業(ye) 縱向布局，如中際旭創、劍橋科技等；另一類則是海外科技大廠技術人員回國創業(ye) ，如光梓科技、賽勒科技等。矽光芯片在一級市場融資事件雖然不多，但融資金額普遍較大，也代表了資本對這一細分賽道的看好。

根據來覓 PEVC 數據，2023 年以來，國內(nei) 矽光芯片領域共發生 10 起融資案例，所涉融資階段多處於(yu) 中後期（B 輪及以後），所涉融資金額較大，多在億(yi) 元及以上，資本正加速搶占這一賽道。矽光芯片的製造不完全依賴先進製程，更關(guan) 注於(yu) 波長尺度，其器件尺寸在數十納米到數百納米不等，成熟製程工藝亦可覆蓋，卡脖子風險不大。矽光芯片的壁壘還包括客戶認證，隨著國內(nei) 光通信領域的高歌猛進，矽光芯片有望伴隨國內(nei) 供應鏈一起成長。目前中國在矽光領域的發展還處於(yu) 快速追趕階段，但通過國際合作、跨境並購等手段正不斷縮小與(yu) 國際先進水平的差距，在不久後的將來，中國亦有可能成為(wei) 矽光的重要競爭(zheng) 者和參與(yu) 者。

圖表 5：2023 年 -2024 年 2 月國內(nei) 矽光芯片領域融資情況。數據來源：RimeData 來覓數據

展望

數據中心時代矽光模塊迅猛增長或帶動上遊矽光芯片需求。雲(yun) 業(ye) 務、雲(yun) 服務刺激數據中心的大規模建設也將直接帶動光模塊、光芯片需求的快速增長。隨著多核處理器、內(nei) 存需求和 I/O 帶寬需求的持續增加導致鏈接和網絡傳(chuan) 輸壓力加大，同時帶寬的升級也會(hui) 帶動功率的快速提升。作為(wei) 下一代互聯技術強有力的競爭(zheng) 者，光互連具有寬頻段、抗電磁幹擾、強保密性、低傳(chuan) 輸損耗、小功率等明顯優(you) 於(yu) 電互連的特點，是一種極具潛力的代替或補充電互連的方案。光互聯在未來數據中心的占比將越來越大，矽光集成技術將充分發揮光互連的帶寬優(you) 勢。

圖表 6：2020-2027E 矽光模塊市場規模（單位：億(yi) 美元）。數據來源：Light Counting、RimeData 來覓數據整理

人工智能將成為(wei) 矽光芯片爆發式增長的強勁動力。AIGC、超算中心以及遠期 XR（混合現實）商業(ye) 化應用加速落地的背景下，算力基礎設施的海量增長和升級換代將成為(wei) 必然趨勢。算力的成倍甚至是指數級增長下，催生高速率、大帶寬的網絡需求，光模塊向更高速率演進，將有力推動矽光的技術升級和產(chan) 業(ye) 發展。此外，相幹及 CPO 等具備高成本效益、高能效、低能耗的新技術也將成為(wei) 高算力場景下合適的解決(jue) 方案。根據 IDC 預測，2017-2021 年全球超算市場規模複合增長率為(wei) 12.2%。其中，全球和中國 AI 服務器市場規模將在 2026 年分別達到 347.1 億(yi) 美元和 123.4 億(yi) 美元，人工智能將成為(wei) 矽光芯片產(chan) 業(ye) 實現爆發式增長的強勁動力。

圖表 7：2018-2026E 全球、中國 AI 服務器市場規模（單位：億(yi) 美元）。數據來源：IDC、RimeData 來覓數據整理

目前國內(nei) 10G 及以下速率中低端光芯片供應已較為(wei) 成熟，25G 國產(chan) 化率較低，而未來需求更大、用於(yu) 200/400G 高速光模塊的 50G 及以上光芯片以國外進口為(wei) 主，國產(chan) 化率極低。隨著人工智能、雲(yun) 計算等先進技術的發展，矽光芯片存在巨大的國產(chan) 替代空間，國內(nei) 相關(guan) 企業(ye) 在資本、政策、市場的支持下也將迎來飛速增長。