硅光的概念早在20世紀(jì)90年代初便已被提出，但相較于集成電路的成熟發(fā)展和規(guī)?；瘧?yīng)用，其在誕生之后的30多年里發(fā)展一直相對緩慢，產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)尚不成熟。究其核心原因，在于尚沒有巨大的應(yīng)用場景驅(qū)動。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，社會對于信息獲取與處理效率的需求持續(xù)攀升，但摩爾定律失效在即，硅光技術(shù)正憑借其在高通量、高能效比、超低延遲、低成本等方面的突出優(yōu)勢，成為確定性的技術(shù)發(fā)展趨勢。

光通信領(lǐng)域——硅光芯片的主要應(yīng)用場景。目前，產(chǎn)業(yè)內(nèi)已基本建立了面向數(shù)據(jù)中心、光纖傳輸、5G承載網(wǎng)、光接入等市場的系列硅光通信產(chǎn)品解決方案，其中數(shù)據(jù)中心光通信是硅光的最大市場，微軟的內(nèi)部數(shù)據(jù)中心互連有超過40%是基于硅光芯片實現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心場景下，云提供商(諸如Facebook、Apple、騰訊等)正轉(zhuǎn)向大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，Capex支出持續(xù)提升以支持客戶的高帶寬需求，通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代，而且迭代周期持續(xù)縮短。在此背景下，傳統(tǒng)的可插拔光模塊在性價比及功耗方面已然“捉襟見肘”，而高集成高速硅光芯片由于在潛在降價空間與功耗方面有明顯優(yōu)勢，則成為更優(yōu)越的選項。市場的選擇是最好的證明，目前100G硅光模塊已局部商業(yè)成功，雖然400G、800G硅光模塊滲透率不會有顯著增長，但業(yè)內(nèi)的共識是通信速率至1.6T階段硅光模塊應(yīng)用將明顯起量。

近年來，硅光已成為數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵組成部分之一。它利用光子的能量快速高效地遠(yuǎn)距離連接交換機、服務(wù)器和其他設(shè)備。隨著帶寬需求的不斷增長，硅光必將變得更加重要。

硅光開始承擔(dān)數(shù)據(jù)中心和AI超級計算機核心的CPU、GPU和其他XPU（其中“X”代表最適合特定工作負(fù)載需求的任何計算機架構(gòu)）之間的芯片到芯片連接只是時間問題。

將光學(xué)和電子器件如此緊密地集成在一起是一個巨大的挑戰(zhàn)。但半導(dǎo)體行業(yè)正在奮力應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。新一代采用同封裝光學(xué)器件的交換機芯片的興起就是明證。

有一條途徑，可以隨著時間的推移將硅光子的功率效率（皮焦耳/比特）、帶寬密度（Tb/s/毫米）和成本（Gb/s/美元）提高一個數(shù)量級。這將為一種更先進(jìn)的共封裝光學(xué)形式打開大門，這種光學(xué)形式被稱為“晶圓級光學(xué)互連”，可以在印刷電路板 (PCB) 上或封裝內(nèi)的芯片之間以光速傳輸數(shù)據(jù)。

還有哪些領(lǐng)域看到高帶寬光互連網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)？

最近，大型生成式AI模型的出現(xiàn)，凸顯了在使用高性能AI/ML集群訓(xùn)練此類模型時網(wǎng)絡(luò)帶寬的重要性?？刹灏喂饣ミB已經(jīng)開始取代此類計算機集群中的銅(Cu)互連，從而緩解了多XPU服務(wù)器之間相距幾米到幾十米的瓶頸。

但隨著這些集群擴展到數(shù)千個XPU，光互連將逐漸進(jìn)入電路板和封裝，以滿足芯片間高互連帶寬要求。這一演變對帶寬密度、成本、功率和可靠性等指標(biāo)施加了更大的壓力。需要帶寬密度超過1Tb/s/mm、功耗低于5 pJ/bit、鏈路延遲低于100ns且可靠性高的光模塊——所有這些成本為每 Gb/s 10美分或更低。

與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)不同，AI/ML集群的功率和延遲預(yù)算非常緊張，幾乎沒有或根本沒有空間進(jìn)行數(shù)字信號處理。這意味著光通道需要非常“干凈”，并且具有極低的誤碼率 (BER)。

在人工智能和機器學(xué)習(xí)的背景下，如何嘗試?yán)霉韫庾訉W(xué)解決這些問題？

對于這些系統(tǒng)，擴展這些系統(tǒng)中的帶寬的更合適方法是使用更多數(shù)量的并行光通道，每個通道以16至64Gb/s范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率無錯誤運行，使用針對效率而非帶寬進(jìn)行優(yōu)化的光學(xué)和電氣組件。反

過來，具有8、16或更多波長的波分復(fù)用 (WDM)有助于控制物理光通道的總數(shù)。

為了將光學(xué)I/O模塊與XPU或高帶寬內(nèi)存 (HBM) 連接起來，晶圓級共封裝光學(xué)器件正在興起（見圖）。利用節(jié)能的寬I/O電氣接口實現(xiàn)“最后一英里”銅互連。最后，成本和光鏈路預(yù)算越來越成為將光源集成到SiPho芯片上的驅(qū)動因素。

對于云數(shù)據(jù)中心和AI/ML集群而言，網(wǎng)絡(luò)帶寬已成為決定系統(tǒng)級性能的越來越重要的指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)瓶頸正在產(chǎn)生嚴(yán)重的緊迫感，從而促使業(yè)界大力推動硅光的采用。