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引言
0 J' f4 c) B3 f# ?本文探討人工智能(AI)如何推動光通信技術(shù)的變革,關(guān)注光模塊向更高速度升級以及光電共封裝(CPO)和硅基光電子等新興技術(shù)的發(fā)展[1]。
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5 G! \4 Z n4 t' `$ _* r人工智能對光模塊規(guī)格的影響 F8 a% W! `, k n- F
人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)的快速發(fā)展正推動數(shù)據(jù)中心采用更高速的光模塊。行業(yè)朝著800G和1.6T的速度發(fā)展,同時(shí)注重低功耗驅(qū)動電路和通過2.5D/3D異構(gòu)集成實(shí)現(xiàn)的小型化。2 K# ^; a( B% g( i
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圖1:由AI推動的光模塊規(guī)格發(fā)展趨勢。# b, I; ?2 @' f$ z0 d) A5 I; Q% ?4 w
! a% S7 m9 j8 g' A2 Y5 Q( I根據(jù)Yole的預(yù)測,數(shù)據(jù)中心光學(xué)元件市場預(yù)計(jì)將快速增長。從2022年到2028年,市場預(yù)計(jì)將以24%的年復(fù)合增長率(CAGR)增長,而從2028年到2033年,增長率將更加顯著,達(dá)到80%的CAGR。這種增長主要?dú)w因于AI和ML設(shè)備中不斷增加的數(shù)據(jù)量。
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圖2:2022年至2033年數(shù)據(jù)中心光學(xué)元件市場的預(yù)計(jì)增長。
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1 x( |3 ?! T: O) [! }光學(xué)集成的演變- P/ P* q4 f- }6 v
光學(xué)集成領(lǐng)域正在發(fā)展,出現(xiàn)了幾種關(guān)鍵技術(shù):可插拔光模塊:目前的主流解決方案,支持100G、400G和800G傳輸速率。板上光學(xué)(OBO):這種方法將光學(xué)引擎放置在ASIC IC封裝周圍,以減少信號傳輸損耗。光電共封裝(CPO):將ASIC和光學(xué)引擎集成在同一基板上,進(jìn)一步減少信號損耗和功耗。光I/O:將計(jì)算芯片(CPU/GPU)與光學(xué)引擎結(jié)合在同一載體上。
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6 Y( k7 c8 [7 o2 w# d圖3:從2020年到2025年光學(xué)集成技術(shù)的演變,展示了CPO的日益普及。1 A5 j3 Y$ n! m, c% X' z' V
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\3 v- j" ^% [6 W光電共封裝(CPO)# e; i7 l4 i3 y* \, W* J( W& Y
CPO作為未來高速光通信的一項(xiàng)有前途的技術(shù)正在獲得關(guān)注。通過將ASIC和光學(xué)引擎放置在同一基板上,CPO提供了多項(xiàng)優(yōu)勢:
$ j' w% o+ S) s" [6 T+ H減少信號衰減降低功耗降低成本更高的集成度
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圖4:Broadcom的51.2T CPO交換機(jī),其中包含8個(gè)與ASIC集成的硅基光電子引擎。
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6 `# ^( a3 ^' A硅基光電子( x$ @) h' c3 I: q: O. j/ n
硅基光電子成為光通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。涉及使用硅半導(dǎo)體技術(shù)制造光學(xué)芯片。* Y1 j( w; c4 _1 ^9 O
& [ H5 M4 J9 d5 B& Y9 \; ?# q光電子集成芯片將各種光學(xué)組件(發(fā)光、接收、分光、耦合、濾波)集成到單個(gè)芯片上,使用半導(dǎo)體制造工藝。這種技術(shù)允許在光子芯片內(nèi)進(jìn)行光信號處理。) b1 R4 V8 d9 f% V$ Y1 `
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5 z/ x9 y8 N9 R( H# Q% n) F3 A圖5:該圖解釋了硅基光電子的概念及其在單個(gè)芯片上集成各種光學(xué)組件的方式。
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供應(yīng)鏈動態(tài)
9 `, W6 m: N( `; {% ?$ W0 n向AI驅(qū)動的光通信轉(zhuǎn)變正在重塑行業(yè)的供應(yīng)鏈,主要參與者及其供應(yīng)鏈關(guān)系包括:
5 E3 y8 @* Q6 R# i6 p; ]8 E微軟/谷歌:整合來自聯(lián)亞(3081)、華星光(4979)、聯(lián)鈞(3450)和光圣(6442)的解決方案Marvell:與華星光(4979)和聯(lián)鈞(3450)合作亞馬遜:與世芯(3661)、智邦(2345)和奇鋐(3017)合作Broadcom:與眾達(dá)-KY(4977)合作Oracle:與聯(lián)鈞(3450)合作5 _; k( `6 Z3 F
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# I4 l# n# r9 a8 p圖6:該圖表說明了2023年至2029年中國和其他地區(qū)光收發(fā)模塊的預(yù)計(jì)增長情況。' `6 k% N" P6 b* B0 S+ W. M
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; @' j/ F# X: [7 M. D! S挑戰(zhàn)和未來展望
; F4 [) F8 a3 S; z6 z6 J$ n隨著行業(yè)向更高速度和更集成的解決方案發(fā)展,出現(xiàn)了幾個(gè)挑戰(zhàn)和機(jī)遇:功率需求增加:51.2T交換機(jī)的下一代光學(xué)引擎將需要更高功率輸出的激光芯片,從400G的50mW提升到70mW或100mW。供應(yīng)商數(shù)量有限:隨著規(guī)格要求越來越高,能夠供應(yīng)先進(jìn)激光芯片的公司數(shù)量正在減少。主要參與者包括美國IDM制造商、聯(lián)亞、英國的IQE和源杰科技。CPO的采用:預(yù)計(jì)從2025年開始,行業(yè)將增加對CPO技術(shù)的采用,臺灣積體電路制造公司(TSMC)在供應(yīng)鏈中發(fā)揮重要作用。
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圖7:該圖顯示了TSMC的硅基光電子供應(yīng)鏈,突出了各公司在生產(chǎn)光纖陣列單元(FAU)等組件中的作用。7 F9 H6 K& I0 D% j! E- P6 l$ d
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. t# @* V0 _5 X" T' Y. m* }! C$ M結(jié)論
1 `- ^# M+ t/ B# L6 w8 wAI驅(qū)動的光通信轉(zhuǎn)型正在為行業(yè)創(chuàng)造新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)中心對更高速度和更高效解決方案的需求增加,CPO和硅基光電子等技術(shù)變得越來越重要。能夠適應(yīng)這些不斷變化的要求并在不斷發(fā)展的供應(yīng)鏈中確保自己地位的公司將在未來幾年中處于有利地位。
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8 F" { Q* n; T) g7 r* |& S800G成為主流光收發(fā)模塊以及英偉達(dá)Rubin系列推動硅基光電子和CPO需求的趨勢,凸顯了這一領(lǐng)域創(chuàng)新的快速步伐。隨著行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,芯片制造商、光學(xué)元件供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商之間的合作將在滿足AI驅(qū)動的數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)不斷增長的需求方面起關(guān)鍵作用。
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參考文獻(xiàn) H0 h/ N; S+ |7 P/ h
[1] S. Hsiao, "AI-driven optical communication specification upgrade beneficiaries - 800G/1.6T/CPO/Silicon Photonics," Yuanta Securities Investment Consulting Co., Ltd., Sep. 20, 2024.0 a& @- Z: Z( @* f* k
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。( R$ i* _; f8 y' r, p
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