今年8月，英偉達(dá)首席科學(xué)家 Bill Dally在 OFC 2022 上的演講描述了未來的 GPU 加速系統(tǒng)與硅光子互連的構(gòu)想。近日業(yè)內(nèi)消息人士稱，臺積電參與了一個由英偉達(dá)領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)項目，該項目將被稱為 COUPE（緊湊型通用光子引擎）的硅光子 (SiPh) 集成技術(shù)用于GPU，以組合多個 AI GPU，這或?qū)⒔oGPU以及數(shù)據(jù)中心帶來新的變化。

SiPh 芯片和 CMOS 工藝經(jīng)過共同封裝光學(xué) (CPO) 技術(shù)集成，可以將多個高級GPU與芯片上晶圓上基板 (CoWoS) 2.5D IC 封裝相連接。再加上光數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡脱舆t優(yōu)勢，通過臺積電COUPE等先進(jìn)封裝技術(shù)，信號損失顯著降低，甚至允許多個AI GPU組合形成超大型GPU集合。據(jù)報道，英偉達(dá)和臺積電的研發(fā)項目將需要數(shù)年時間，并且必須等到 SiPh 生態(tài)系統(tǒng)成熟。

英特爾此前制定了自己的 SiPh 計劃，專注于集成包含化合物半導(dǎo)體組件的激光模塊，中國臺灣外延片制造商 LandMark Optoelectronics 很早就開始著手這項工作。據(jù)了解，臺積電與潛在客戶協(xié)商的先進(jìn)封裝模式COUPE將只保留光通道；激光收發(fā)器部分將放置在外部。這種架構(gòu)將具有高良率，并且將避免使用英特爾 SiPh 專利。此外，隨著臺積電在高性能計算中使用 CoWoS 封裝的長期成功，HPC和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)交換芯片可以使用“COUPE+CoWoS”異構(gòu)集成方法。

通過 COUPE 組合多個頂級 AI GPU 形成超大型 GPU 芯片組，從操作的角度來看，將被視為單個 GPU。這樣一來，它就不需要遵循英特爾高難度的集成方法，即集成激光光源，而是需要更多地考慮化合物半導(dǎo)體的激光芯片。消息人士補(bǔ)充說，臺積電先進(jìn)的封裝技術(shù)為客戶提供了更大的靈活性。

臺積電的先進(jìn)封裝客戶不僅包括英偉達(dá)，還包括一直熱衷于獲得SiPh專利的AMD/Xilinx，以及博通、思科和Marvell Technology。此前有報道稱，臺積電在 2007 年試圖趕上英特爾的 SiPh 計劃時，曾討論過與 Luxtera（現(xiàn)為思科的子公司）的合作關(guān)系。然而，當(dāng)時芯片制造商認(rèn)為 CoWoS 的成本太高，而是打算尋求與 OSAT 的合作伙伴關(guān)系。

從包括日月光及其子公司矽品精密工業(yè)股份有限公司（SPIL）在內(nèi)的領(lǐng)先OSAT的先進(jìn)封裝技術(shù)平臺來看，CPO已成為先進(jìn)封裝的代表之一。從供應(yīng)鏈上游來看，EDA供應(yīng)商Synopsys推出OptoCompile平臺，可以用于電子和光子集成電路設(shè)計、布局、仿真和驗證。Yole 的數(shù)據(jù)預(yù)測，用于數(shù)據(jù)中心聯(lián)合封裝光學(xué) (CPO) 的硅光子市場將從 2021 年的幾乎為零增長到 2027 年的約 720 萬美元。

2022年硅光子模塊產(chǎn)業(yè)價值9.3439億美元

市場研究機(jī)構(gòu) Yole 估計，SiPh 組件市場將從 2018 年的 4.55 億美元增長到 2024 年的 40 億美元，復(fù)合年增長率為 44.5%。其他研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，在數(shù)據(jù)中心、人工智能芯片和超級計算機(jī)的持續(xù)計算、性能和傳輸速度升級的推動下，復(fù)合年增長率將超過 50%。

Yole 預(yù)計硅光子在光收發(fā)器市場的份額（目前估計超過 20%）到 2027 年可能會擴(kuò)大到 30% 左右。據(jù)Yole預(yù)測，提高集成度的主要驅(qū)動力應(yīng)該是數(shù)據(jù)中心向 400G 和 800G 可插拔的演進(jìn)；在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中更多地使用相關(guān)技術(shù)；以及對符合 400ZR 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)的需求。根據(jù) Yole 的估計，所有這些都可能將數(shù)據(jù)中心收發(fā)器的市場從 2021 年的 1.48 億美元提升到 2027 年的 4.68 億美元。Yole還看到了“分散”數(shù)據(jù)中心的趨勢，這些數(shù)據(jù)中心建立在部分由硅光子支持的光學(xué)互連之上。這樣的架構(gòu)可以證明是為高性能計算和數(shù)據(jù)通信提供更多功率和效率的關(guān)鍵。

Yole 指出的另一個新應(yīng)用領(lǐng)域是用于消費者健康設(shè)備的硅光子學(xué)，該公司預(yù)計到 2027 年，該市場的復(fù)合年增長率將達(dá)到 30%，達(dá)到 2.4 億美元。在這方面，報告特別提到了可能的出貨量Rockley Photonics 將在未來一年左右推出其 VitalSpex 生物傳感部門，這可能預(yù)示著“來自蘋果或華為等大品牌”的可穿戴技術(shù)中基于硅光子的傳感器的出現(xiàn)。Yole 預(yù)計用于人工智能和其他高端計算應(yīng)用的光子處理器的復(fù)合年增長率將達(dá)到 142%，達(dá)到 2.44 億美元。

Yole 觀察到，所有這些應(yīng)用的增長正在影響硅光這個本身處于不斷變化狀態(tài)的行業(yè)。該公司表示，巨大的新應(yīng)用潛力在過去幾年中催生了大量初創(chuàng)公司。但是，與此同時，隨著大公司努力擴(kuò)大規(guī)模，該行業(yè)繼續(xù)出現(xiàn)收購活動和整合。

總體而言，未來硅光模塊市場格局波動較大，新進(jìn)入者機(jī)會明顯。整個硅光模塊產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間廣闊。隨著5G進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，傳輸網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和建設(shè)的投資將不斷增加，為高速硅光模塊打開市場。

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