文/Sam Dale，IDTechEx 高級技術(shù)分析師

圖 1：光子集成電路（PIC）技術(shù)市場在未來十年間的增長預(yù)測。（圖片來源：IDTechEx）

光子集成電路（PIC）通過提供比傳統(tǒng)電子電路更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的能耗，正在光通信和光計(jì)算領(lǐng)域掀起一場全新的變革。市場調(diào)研公司IDTechEx 的最新報(bào)告《2025-2035 年硅光子學(xué)與光子集成電路：技術(shù)、市場與預(yù)測》顯示，隨著人工智能（AI）數(shù)據(jù)中心、電信、量子計(jì)算及傳感應(yīng)用需求的持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到 2035 年 PIC的市場規(guī)模將突破 540 億美元（見圖1）。

PIC 在AI數(shù)據(jù)中心中的作用

AI應(yīng)用的迅速擴(kuò)展，以及需要大量參數(shù)的基礎(chǔ)模型的不斷發(fā)展，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心內(nèi)的數(shù)據(jù)處理需求呈指數(shù)級增長。這種數(shù)據(jù)處理需求的激增，需要高帶寬、低延遲的通信通道，來高效處理 AI 加速器和存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的大量數(shù)據(jù)流。PIC 已經(jīng)成為滿足這些需求的一種關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)榕c傳統(tǒng)電子互連相比，PIC能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和能源效率。

高帶寬光互連的必要性

訓(xùn)練和運(yùn)行大型現(xiàn)代AI模型，需要在數(shù)據(jù)中心內(nèi)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)移動(dòng)，因?yàn)楸仨氝M(jìn)行大量的矩陣運(yùn)算，而這些運(yùn)算常常分布在多個(gè)圖形處理單元（GPU）節(jié)點(diǎn)上。傳統(tǒng)的電子互連在滿足所需的帶寬和延遲規(guī)格方面面臨挑戰(zhàn)，這往往會(huì)形成阻礙整個(gè)系統(tǒng)性能的瓶頸。

PIC 通過使用光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸來緩解這些問題，以實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更低的延遲。通過光吸收造成的能量損失通常低于通過電阻產(chǎn)生的同等損失，這提高了能源效率并增加了傳輸距離。

最近的發(fā)展突顯了 PIC 在AI數(shù)據(jù)中心中的關(guān)鍵作用。例如，意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）正與亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）合作，推出一種新的硅鍺 PIC 生產(chǎn)工藝。據(jù)悉，新生產(chǎn)工藝將于今年下半年投入生產(chǎn)計(jì)劃，通過該工藝制造的可插拔收發(fā)器將集成到 AWS 的基礎(chǔ)設(shè)施中，這突顯了行業(yè)向光子解決方案轉(zhuǎn)變的趨勢，以滿足AI的數(shù)據(jù)傳輸需求。

共封裝光學(xué)：集成光子學(xué)與電子學(xué)

為了進(jìn)一步提高性能和能源效率，光子學(xué)與電子元件的直接集成越來越受到關(guān)注。共封裝光學(xué)（CPO）涉及光子集成電路和電子集成電路的緊密耦合，這種耦合減少了傳統(tǒng)互連帶來的信號損失和功耗。這種方法在AI數(shù)據(jù)中心中特別有益，在AI數(shù)據(jù)中心，縮短電氣路徑長度不僅可以在提高吞吐量的同時(shí)降低延遲，還可以通過最小化電阻損耗來降低功耗。

硅光子學(xué)：優(yōu)勢與局限

硅光子學(xué)因其與成熟的半導(dǎo)體制造工藝的兼容性，而成為了 PIC 市場中的領(lǐng)先技術(shù)。它通�；�于絕緣體上硅（SOI）平臺(tái)，即將硅置于二氧化硅上；不過在某些情況下，這些晶圓也會(huì)使用氮化硅代替硅來構(gòu)建相關(guān)結(jié)構(gòu)。

臺(tái)積電（TSMC）已經(jīng)于 2024 年年中宣布進(jìn)入硅光子學(xué)市場，首先瞄準(zhǔn)的是可插拔收發(fā)器，隨后將致力于CPO，這標(biāo)志著該技術(shù)在信心方面又達(dá)到了一個(gè)新的里程碑。

硅光子學(xué)的主要優(yōu)勢包括：

（1）能與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝集成。硅光子學(xué)制造能夠利用現(xiàn)有的代工廠基礎(chǔ)設(shè)施，這不但能降低生產(chǎn)成本，并且能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

（2）可擴(kuò)展性。硅光子學(xué)在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝內(nèi)運(yùn)行，因此它可以與傳統(tǒng)電子電路一起擴(kuò)展。

（3）能源效率。與電氣互連相比，硅光子學(xué)能夠在高速數(shù)據(jù)傳輸中實(shí)現(xiàn)更低的功耗。

盡管有這些好處，但是硅光子學(xué)也存在一些顯著的局限性，而其他材料平臺(tái)可以解決這些問題。這些局限性包括激光集成的困難，因?yàn)楣枋且环N間接帶隙半導(dǎo)體，是一種較差的激光材料。與一些替代材料相比，其調(diào)制性能和光波導(dǎo)中的損耗也較差。

針對PIC 的材料創(chuàng)新

雖然硅在 PIC 市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，但如圖 2 所示，一些新興材料正致力于解決硅材料的固有局限性。

磷化銦（InP）。作為一種直接帶隙半導(dǎo)體，InP能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光產(chǎn)生和檢測，廣泛應(yīng)用于電信領(lǐng)域，并且隨著對高速光互連需求的增加，預(yù)計(jì)其市場份額將增加。

薄膜鈮酸鋰（TFLN）。TFLN具有強(qiáng)大的光電性能和低損耗，正成為包括量子計(jì)算和超高速光通信在內(nèi)的高性能調(diào)制應(yīng)用的候選材料。但由于將其與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝集成存在挑戰(zhàn)，其技術(shù)成熟度仍然較低。

圖 2：按材料類型劃分的 PIC 市場份額。（圖片來源：IDTechEx）

隨著對高性能收發(fā)器需求的增加，具有極高調(diào)制性能的材料預(yù)計(jì)將會(huì)在市場中備受青睞。隨著數(shù)據(jù)中心收發(fā)器要求的不斷演變，預(yù)計(jì)在未來 10 年內(nèi)，硅光子學(xué)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大將為其他材料平臺(tái)帶來市場增長機(jī)會(huì)。

通信領(lǐng)域之外的 PIC 應(yīng)用

雖然數(shù)據(jù)通信仍然是 PIC 的最大市場，但是PIC在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷涌現(xiàn)。

（1）激光雷達(dá)（LiDAR）。由 PIC 實(shí)現(xiàn)的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)，能提高自動(dòng)駕駛汽車和工業(yè)自動(dòng)化的性能。

（2）生物傳感器和氣體傳感器。

用氮化硅制造的 PIC ，正助力實(shí)現(xiàn)面向醫(yī)療保健和環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的緊湊型、高靈敏度傳感設(shè)備。

（3）量子計(jì)算。光子量子計(jì)算是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，PIC 在擴(kuò)展量子架構(gòu)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。開發(fā)離子阱和基于光子的量子處理器的公司，正在投資集成光子學(xué)解決方案，以提高穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

市場增長與行業(yè)格局

預(yù)計(jì)在未來十年內(nèi)，僅硅光子學(xué)市場就將保持 20% 的復(fù)合年均增長率（CAGR）。雖然這在很大程度上是由持續(xù)發(fā)展的AI熱潮所驅(qū)動(dòng)，但包括激光雷達(dá)、生物傳感和量子計(jì)算在內(nèi)的 PIC 新興應(yīng)用場景，預(yù)計(jì)將在這一時(shí)期的后半段占據(jù)顯著的市場份額。

隨著市場對高速、節(jié)能光學(xué)解決方案的需求持續(xù)增長，PIC 有望在重塑未來計(jì)算、通信和傳感技術(shù)的發(fā)展方面，發(fā)揮基礎(chǔ)性作用。