铜退光进：硅光技术如何重塑算力时代的底层逻辑

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【概要描述】

硅光：从备选技术走向算力刚需

过去二十年，硅光长期是光通信的“备选方案”，前景好却未大规模落地。2022 年前，硅光虽已有商用案例，但并未在 AI 算力集群大规模落地；数据中心互连速率需求有限，传统分立光器件方案性价比更高。

转折来自AI：大模型参数从百亿到万亿，训练集群从千卡到十万卡，数据传输成最大瓶颈。大型AI数据中心超40%功耗耗在互连传输，铜缆电互连逼近物理极限，光成为芯片之间、封装之间、机柜之间的必然选择。硅光的价值，正在从“光通信器件”跃升为“后摩尔时代的系统级基础设施”。

硅光是什么

要理解硅光，先要理解它所解决的问题。

传统的数据传输是“电-光-电”的转换模式：芯片处理完的电信号，通过分立的激光器、调制器转换成光信号，经由光纤传到远端，再通过探测器转换回电信号交给芯片处理。此过程中用到的各种光器件都是分立的，体积大、功耗高，很难大规模集成。

硅光技术则从根本上改变了这一架构。硅光把“电传输”换成“光传输”——用激光代替电信号，用光波导代替铜线，在硅芯片上集成光学器件，直接用光来传数据。更进一步说，硅光是将硅半导体工艺与光通信技术结合，在硅片上制造和集成光器件，实现光信号的传输和处理，本质上是一套“集成光路”。

核心在于硅材料的两大天然优势。其一，硅是地壳中第二丰富的元素，成本远低于传统光通信中使用的磷化铟和砷化镓等III-V族化合物材料。其二，硅与二氧化硅包层之间存在很高的折射率差，可以实现纳米尺度光波导，支持在毫米级芯片上集成成千上万个光学元件。

硅光芯片结构

硅光（Silicon Photonics），全称硅基光子集成技术，复用成熟CMOS半导体制造工艺，在SOI绝缘体上硅晶圆表面，刻蚀出纳米级光学器件，制作光子集成电路（PIC），用光信号完成数据调制、传输、分光、光电探测。

从功能模块来看，硅光芯片主要包含以下几个关键部分。

光源负责产生光信号，这是硅光集成中最大的挑战之一——硅本身是间接带隙材料，发光效率极差，目前主流的解决方案是将III-V族激光器键合到硅片上。

调制器负责将电信号加载到光波上，实现信息编码，是决定传输速率的核心器件。

光波导则是芯片内部的“光路”，引导光信号在芯片上传输。

探测器负责将接收到的光信号转换回电信号。

这些器件之间通过硅光波导连接，形成一个完整的光电信号处理链路。

图：硅光芯片结构示意图

光信号之所以在传输上具有压倒性优势，根本原因在于光的物理特性。光信号不受RC延迟和趋肤效应的影响，单通道传输速率能轻松达到1.6Tbps以上，是传统电互连的十几倍甚至几十倍。而且不同波长的光可以在同一根光纤中并行传输、互不干扰，带宽是铜线的几十上百倍。

硅光芯片VS传统芯片

表：硅光芯片VS传统芯片指标对比

传输速率方面，传统电互连在单通道速率超过100Gbps，在中长距离传输下，信号衰减、串扰、功耗会急剧恶化；而硅光芯片凭借光信号的天然优势，单通道理论传输速率可达 1.6Tbps 级别，远高于传统电互连。

功耗方面，差距同样惊人。电信号在铜线中传输，电阻会产生大量焦耳热，速度越快发热越严重。光信号在光波导中传输，损耗极小，功耗只有传统电互连的十分之一甚至更低。以某款采用硅光互连技术的AI芯片为例，其芯片间传输能耗可降低约90%。

抗干扰能力方面，电信号在铜线中高速传输时会产生严重的串扰和信号失真，而光信号天然不怕电磁干扰，不会和周围电路互相影响，设备可以做得更密集。

集成潜力方面，传统分立光器件体积大、成本高，根本无法满足一个AI算力集群需要几万甚至几十万路高速互连通道的需求。硅光芯片则利用CMOS工艺实现了光器件的高密度集成，从源头上解决了这个瓶颈。

硅光技术壁垒

尽管前景广阔，硅光技术从“能造出来”到“大规模稳定量产”之间，仍横亘着几道必须跨越的难关。

硅本身不发光。硅是间接带隙材料，发光效率极差，主流方案仍需将III-V族激光器键合到硅片，工序增加，良率与成本难降。室温连续硅基片上激光器已有进展，但距商用全硅集成尚需数年。

PDK不成熟。常规工艺线PDK难支撑产品级研发量产，因工艺不稳定、数据积累不足。设计师需反复流片试错，设计性能与结果差异大，周期长、成本高。

封装与良率。硅光芯片制造良率约70%—80%，封装更难。以CPO为例，32颗光引擎系统，单颗良率95%，整体仅约19%。良率、热管理、光学测试制约规模化商用。

国内流片产能稀缺。AI算力驱动下游需求旺盛，上游高质量高效率流片产能不足，形成“等米下锅”。国内可大规模量产平台稀缺，产能有限、工艺稳定性待提升，国内部分硅光流片项目回片周期可达半年至一年，研发迭代效率受限。

产业前景

AI算力扩张是硅光产业增长的核心驱动力。随着800G光模块大规模部署，1.6T光模块逐步落地，硅光光模块渗透率持续提升，正快速成长为数据中心高速互联的重要技术路线。

短期来看，硅光将持续在可插拔高速光模块领域放量，凭借高集成、低功耗优势降低智算中心的建设与运维成本，支撑GPU集群内部互联需求。中长期，硅光是CPO光电共封装技术的核心基础，未来不再使用独立可插拔光模块，直接将硅光光引擎和交换机ASIC芯片封装在一起，进一步缩短光电互联距离，大幅降低系统功耗，是下一代算力网络的演进方向。

除数据中心光通信之外，硅光技术还可拓展到激光雷达、光学传感、量子信息、光计算等多元场景。

当前国内硅光产业链正在快速追赶，在芯片设计、晶圆代工、封装测试环节持续突破，但高端激光器、核心设计工具、测试设备等环节仍存在短板。未来，随着国产产业链配套完善，硅光技术有望在算力基础设施中发挥更大价值，成为后摩尔时代光电融合的核心赛道。

资料来源：

硅光技术简介
硅光，到底是个啥？
芝能智芯、深圳光学光电子行业协会