通信行业之硅光产业链深度研究:“超越摩尔”新路径

作者: iccsz
发布于: 2022-01-17 10:48
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01 后摩尔时代,硅光技术“曙光初现”

后摩尔时代,硅光技术成为降低IO功耗、提升带宽的必要措施

随着信号速率每隔3~4年提升一倍,电信号能够传输的距离在逐渐减小。基于成本上的考虑人们还在尽量延续电信号传输的寿命,但由于芯片封装和工艺制 程能力不可能无限提升,IO速率不断提升导致的功耗增加最终会触碰到芯片封装的 功率墙。因此,硅光技术成为降低IO功耗、提升带宽的必要措施。

海外硅光领域并购整合频发,瞄准未来赛道和核心科技

硅光子是确定性技术发展趋势,海外硅光并购整合频发,瞄准未来赛道和核心科技:目前硅光领域并购集中在通信领域,硅光transceiver 公司大都被通信设备商收购,例如思科, Huawei, Nokia等,另外上游设计工具软件也是并购重点方向。收并购情况看,硅光子具体技术路线在收敛确认中(EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP),产业重点投入方向逐渐清晰,投资风险降低。

02 什么是硅光?

硅光原理:硅光子学的低成本、高速的光通信技术

硅光技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备, 该技术结合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。

硅光核心元器件:光源、光波导、调制器、探测器

硅光子核心器件主要包括以硅半导体材料的光有源及无源器件,包括硅基激光器(负责将电信号转化成光信号)、硅基光 探测器(负责将光信号转化成电信号)、硅基光调制器(负责将光信号带宽提升)、平面波导(负责光信号在硅基材料上 传输)、光栅耦合器(负责与对外连接的光纤对准降低插损)等。

硅光优势:小尺寸、低功耗、低成本

硅光集成将核心部件和配件集成在一个晶片上,器件数量显著缩小,密集度有所提升;硅光有机结合了成熟微电子技术和宽带光电子技术,硅光方案既降低了硅光模块、芯片等成本,又提高了可靠性。

混合集成原理

混合集成是将使用不同材料、不同制作工艺制造出来的元器件组合安装在同一衬底上,比如说基于 硅基的集成(平面光波导混合集成,硅光等),基于磷化铟的集成等,典型的混合集成是将有源光器 件(激光器,探测器等)集成到具有光路连接或者其他一些无源功能(分合波器等)的基板上(平面光波 导,硅光等)。

单片集成原理

单片集成是经过相同制作工艺,将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术,实现起来有较大技术难度, 但具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势,是PIC的发展方向。利用硅光集成技术发展高折射率、尺寸和高集成度的高速光模块是当前研究者主要目标。目前,本领域技术 人员已经在硅光平台上实现了高速率的硅光调制器,高速率检测器,低损耗传输波导和波分复用等硅光器件。

03 硅光替代分立光器件核心驱动:流量&技术进步&边际成本

数据流量高速增长是硅光技术需求的原生动力

数据时代流量迅速增长对光通信性能提出更高要求,要求光通信行业做出变革,提高光通信产品的适应性和技术性。数据中心以太网交换机芯片处理高速率流量需求不断提高: 云数据中心的大型化将极大提升光模块的使用量,同时对光模块的传输距离有了 更高的要求,同时驱动了光模块工作速率不断升级。

光器件发展趋势:高度集成、小型化、高速率

叶脊网络架构进一步增加光模块需求:传统三层结构IDC网络架构有利于解决南北向数据传输问题(IDC内部与外部之间),然而伴随着虚拟 化、云计算、超融合系统等应用,使得东西向数据流成为主要流量,为了数据中心利用率以及效用最大化,越来越多的数据中心采用了叶脊 类型的网络架构,以叶脊架构为例,光模块总量是机柜数的46倍(传统传统三层架构光模块总量是机柜数的9倍)。

光通信提升带宽传统模式逼近极限

提高每个通道的比特速率,提升比特速率有两个方法:1、直接提升波特率;2、保持波特率不变,使用复杂的调制解调方式(如PAM4、QPSK, QAM16,QAM64等 )。

分离器件光模块技术演进瓶颈,硅光性价比提升

硅光模块在高速率下,仍具有器件小、稳定性强和硅材料能耗低的特性,较传统光模块具有一定优势,因此硅光方案被相当一部分数据中心所采 用,硅光产业随即得到发展。

高阶调制模式无法匹配信噪比,DSP成本高度提升

高阶复杂调制,如PAM4、QPSK,QAM16,QAM64等,以提高比特率;以及更高的符号速率等。

1)高阶复杂调制,无法匹配光源信噪比,传输损耗增大:进一步提高系统容量可以采用高阶调制格式如8QAM(8-level quadratureamplitude modulation)或16QAM,但是高阶调制需要更高的OSNR(Optical-Signalto-Noise Ratio 光信噪比)。对于同样的符号速率, 16QAM所需的OSNR比QPSK高近7dB,这意味着在同样的光纤、光放大器和跨段距离的条件下,采用16QAM虽然可以把容量提高一倍,但 无电中继的传输距离会降低5倍。有许多技术可以提高16QAM的传输距离,如采用拉曼光放大器、低损耗和低非线性光纤、编码调制技术、 非线性补偿技术等等。

2)DSP成本高度提升,商用化难度提升:光通信系统速率越高,电芯片成本在系统中的比例就越高,其中DSP芯片成本制约占主。DSP的复 杂程度直接影响了光模块的成本与功耗。在100G时代,电芯片相关厂商有Macom、semtech,sillconlabs,Maxim等,商业化程度较高;而 400G时代电芯片则主要是Inphi、Broadcom、MaxLinear、Macom,供应商较少,规模效应未显。

400G以上的速率受限于激光器芯片速率及成本

光通信中主要涉及到的芯片包含光芯片和电芯片。光芯片是光模块中完成光电信号转换的直接芯片,又分为激光器芯片和探测器芯片;电芯片一方面实现对光芯片工作 的配套支撑,如 LD(激光驱动器)、TIA(跨阻放大器)、CDR(时钟和数据恢复电路),一方面实现电信号的功率调节,如MA(主放),另一方面实现一些复杂的DSP(数字信号 处理)。光芯片的成本占比通常在40%-60%,电芯片的成本占比通常在10%-30%之间。

硅光对传统光模块行业链影响

由于传统光模块制造过程中封装工序较为复杂,需要投入较多人工成本,而硅光 芯片高度集成,组件与人工成本也相对减少,对于下游封装厂或制造商的要求在 降低,尤其是2024 年后,采用硅光集成技术的光电共封装(CPO)技术预计将会 成为主流模式,传统光模块生产制造企业将会勉励较大的技术挑战。

04 典型厂商硅光产品布局汇总

欧美先发领先,中国初步发展

硅光技术自世纪初以来就在英美国家中受到重视。如英特尔和加州大学芭芭拉分校在硅光领域已经实现了完成十多年的产研合作,在很多关 键性的问题取得重大突破,欧洲也开展了一系列项目来拓展硅光技术的深度与广度,目前已经取得一定成效。

Acacia(思科收购)——布局独到的技术创新型公司

Acacia是一家美国的硅光模块生产厂商。该公司产品的特点是高性能;低能耗(AC1200 Flex目前实现了业界600G的最低功耗);配套软件 合理;内置的DSP芯片开发水平高,计算能力出色;器件体型小。其两款产品(AC1200 Flex、可插拔模块CFP2-DCO)被权威评测机构 Lightwave`s innovation review评为满分产品。

Intel——商用规模和先进技术兼具的行业领头者

Intel布局硅光领域多年,在很多关键性技术上取得了重大的突破,也为公司取得了不菲的收入。2018年公司年报中披露,当年公司的收入能 够在传统业务下滑的状况实现增长,部分是依赖于硅光产品销售取得的突破。

Luxtera (思科收购)——走在商用化前端的硅光公司

Luxtera是一家专注于使用标准半导体晶圆代工厂生产光电收发器产品的硅光公司,其产品的方向主要是以数据中心,部分参与5G基础设施。 该公司规模出货量业内领先,在硅器件规模化生产研发方面经验深厚,与晶圆制造加工厂商有着长久的技术合作关系,生产良率高,成本低。

Mellanox(英伟达收购)—混合集成,特色耦合

Mellanox是一家以色列的端到端的智能网络设备提供商。其硅光产品既可以支持名为InfiniBand的高速网络连接标准,也可以支持以太网连 接标准,硅光收发器产品覆盖1Gb/s到200Gb/s速率。100Gb/s收发器物理介质分层覆盖SR4到LR4,而200Gb/s仅支持短距离(100m以下) 应用,均可进行批量生产;与此同时,400G QSFP-DD DR4 500m 收发器也在2019年进行了展出。

Sicoya(苏州熹联光芯) ——单片集成的先驱

Sicoya是一家德国的硅光创业公司,2017年以100G硅光子收发器进入市场,该收发器使用130nm的硅锗(SiGe)BiCMOS工艺制造,并声称 获得客户订单。2019年,展示其EPIC光电集成的400G硅光子学技术,目标指向QSFP-DD,OSFP和COBO封装的400G数据中心市场。与此 同时,Sicoya宣布在中国天津宣布建立新工厂,专注于光收发器和光引擎的组装和测试。(报告来源:未来智库)

05 硅光技术当前技术评估

硅光发展技术难点

目前,已量产的硅光模块,基于硅衬底的混合集成是主要方式。主要器 件包括:在硅衬底表面集成激光器(III-V族半导体,以InP为主)、调 制器(铌酸锂LiNbO3,具有优异的电光效应)、光探测器(Si中掺 Ge)、硅波导(Si对于1.31μm/1.55μm通信波段透明)、波分复用及 解复用器、耦合器等。

高速环境中波分复用、解复用器件仍待成熟

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术,常见复用方式有波分复用、偏振复用、模式复用等。极大地拓展了光互连的通 信容量。其中目前主流的复用方式为波分复用,但随着高速化需求的不断加强,其他复用方式也会得到推广。

光纤耦合、热管理仍待发展

光纤耦合:Si波导和光纤的耦合一直都是硅光技术的难点。Si波导尺寸仅有几百纳米,与单模光纤9um的芯径严重不符,直接耦合损耗过大。 耦合目前主要有光栅耦合和端面耦合两种方式,模斑转换器的损耗低,带宽大。而光栅耦合器的对准容差大、耦合位置不受限制,可进行芯 片级的测试,但对不同偏振需要单独设计参数。整体来看,光纤耦合技术依然有很大突破的空间,依然存在高密度多通道耦合 、通道间不一 致 、高效自动化耦合问题。

06 硅光技术在通信领域进展及市场

硅光市场:主要应用场景数据中心未来稳步向好

数据中心是指全球协作的特定设备网络,用来在因特网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。近年来数据中心产业在全球 范围内得到较快的发展,自2014年以来始终维持着较高的增长率,2018年已经实现6253.1亿元的市场规模。

交换机容量2-3年翻倍,传统可插拔光模块路径力不从心

交换机容量2-3年翻倍, 51.2T容量后传统光模块路径大概率走不通:交换机的最高密度是1RU上可插32个400G光模块,对应的容量12.8T。假 设两三年后800G光模块已经成熟并且尺寸功耗够小,交换机还能变大一倍,2RU下最大也就能提供51.2Tb的容量了,基于当前的可插拔模块 的路径是走不通了。

07 硅光行业产业链详细拆解及产业特征

全球硅光产业链全景:海外厂商主导,国内厂商跟随

硅光产业链上游主要包括PDA设计软件、晶圆、外延、制造设备和原材料供应商;中游包括设计、制造和封装厂商;下游主要是通信网络 设备及其他相关设备厂商。

PDA设计软件:硅光子设计自动化工具

硅光子设计从系统功能需求出发,基于功能分析和分解 ,设计出光子链路,并仿真获得其可实现的功能性参数;进一步地,物理仿真与优化, 获得组成光子链路的器件结构及布图设计;然后基于器件的物理模型,分析链路集成中的寄生效应并验证链路功能性,最后修正设计其结构参数。

SOI晶圆:硅光子时代的“隐身”英雄

制造硅光子芯片和器件最好、最自然的方法是使用绝缘体上硅(SOI) 晶圆: SOI材料相对于SiO2和 铟磷(InP)等材料体系具有更大的折射 率差,波导尺寸可以非常小。

Foundry:国内硅光商业化流片平台很弱,成为产业发展的重大短板

硅光子集成制造关键技术工艺流程包括:外延生长、纳米加工、异质结构键合、混合集成、器件封装、高频测试等,虽然相比于传统CMOS工艺 大大简化,但是也有众多不同,至少需要对标准 CMOS 工艺增加 3 个工艺模块:部分刻蚀、Ge 外延生长和光窗成型。

08 硅光非通信市场想象空间大

硅光子Fabless商业基础初步形成,将极大扩展硅光市场应用

目前由于硅光发展不成熟,硅光子产业链没有像微电子产业一样完全形成Foundry厂与硅光设计公司分开的产业格局,且硅光子集成度不高, 硅光器件的IP没有完全形成与成熟,所以光器件也一般由Fabless自行设计。

硅光Lidar:潜在应用场景市场价值高

自动驾驶目前是各大公司和投资者重点关注领域。自动驾驶汽车至少需要5类感应器,其中Lidar作为感知的关键环节不可或缺。它主要负责 路上状况感知,如感知行人、路面等,为智能决策提供数据来源。

光子计算:光子矩阵、 片上互联和片间传输取得突破性进展,硅光子赋能计算

据OpenAI统计,自2012年,每3.4个月人工智能的算力需求就翻倍,摩尔定律带来的算力增长已无法完全满足需求,硅光芯片更高计算密度 与更低能耗的特性是极致算力的场景下的解决方案。未来5-10年,以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。

硅光子蓄势待发消费者医疗可穿戴市场

光可以照射到组织和血管上以监测、检测和量化生物标记,因此光子学可以赋能无创医疗监测解决方案,用于低成本、小尺寸的医疗设备和面 向消费电子市场的可穿戴设备。

来源:(报告出品方/作者:华西证券,宋辉、柳珏廷)