人工智能驅(qū)動(dòng)的光通信

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
本文探討人工智能（AI）如何推動(dòng)光通信技術(shù)的變革，關(guān)注光模塊向更高速度升級(jí)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]。

人工智能對(duì)光模塊規(guī)格的影響
2 d, }1 E" b1 e1 O: h3 K8 ~' b人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的快速發(fā)展正推動(dòng)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(dòng)電路和通過(guò)2.5D/3D異構(gòu)集成實(shí)現(xiàn)的小型化。
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7 U5 r0 C5 z5 z! v5 x3 L圖1：由AI推動(dòng)的光模塊規(guī)格發(fā)展趨勢(shì)。
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  }" D& h% B$ n( S# ]. r# N) G根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)中心光學(xué)元件市場(chǎng)預(yù)計(jì)將快速增長(zhǎng)。從2022年到2028年，市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以24%的年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)，而從2028年到2033年，增長(zhǎng)率將更加顯著，達(dá)到80%的CAGR。這種增長(zhǎng)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(chǎng)的預(yù)計(jì)增長(zhǎng)。
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1 X7 `( v8 O# E% M' P6 O光學(xué)集成的演變
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(hào)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(hào)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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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。

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光電共封裝（CPO）
" L% I3 v4 [# s5 \) \8 M# fCPO作為未來(lái)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(guò)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(shì)：
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減少信號(hào)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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硅基光電子
2 ~: l7 D  N% K) r! y0 ]! }" C6 G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。

) [" l0 c0 I& z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(hào)處理。
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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。

供應(yīng)鏈動(dòng)態(tài)
向AI驅(qū)動(dòng)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：
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微軟/谷歌：整合來(lái)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


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圖6：該圖表說(shuō)明了2023年至2029年中國(guó)和其他地區(qū)光收發(fā)模塊的預(yù)計(jì)增長(zhǎng)情況。
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挑戰(zhàn)和未來(lái)展望
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(lái)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(guó)IDM制造商、聯(lián)亞、英國(guó)的IQE和源杰科技。

CPO的采用：預(yù)計(jì)從2025年開(kāi)始，行業(yè)將增加對(duì)CPO技術(shù)的采用，臺(tái)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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: J! u* Y' ~- u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。


% \1 V3 m! s& H/ x- ]6 h" V結(jié)論
AI驅(qū)動(dòng)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(duì)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(lái)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(lái)幾年中處于有利地位。
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6 }2 o( V! e; S) t$ r800G成為主流光收發(fā)模塊以及英偉達(dá)Rubin系列推動(dòng)硅基光電子和CPO需求的趨勢(shì)，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(dòng)的數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的需求方面起關(guān)鍵作用。
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參考文獻(xiàn)
[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.
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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(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)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(duì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)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)。

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