來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：李飛，謝謝。
隨著人工智慧等數據中心新應用的出現，用於數據中心的基於矽光子技術的數據互聯市場也在逐漸變熱。三月是矽光技術非常熱鬧的一個月，AMD/Xilinx剛宣布和Ranovus合作發布了一款將Versal ACAP和Ranovus的Odin光通信模組集成在一起的系統，Marvell也同時發布了其400G DR4矽光平台，而GlobalFoundries也發布了其矽光子工藝平台Fotonix。本文將對矽光子技術的前景做一些分析，我們認為在未來矽光子技術會在數據中心中扮演越來越重要的角色，且其技術發展將會向著成本和功耗更低、體積更小的方向演進。
矽光子技術在數據中心中的應用
傳統上，基於光的通信主要是用在長距離高速通信中，例如大家熟悉的光纖寬頻入戶就是這樣的長距離高速有線通信的一個重要例子。在數據中心中，常用的數據互聯是基於銅電纜的通信。
然而，在最近幾年，隨著人工智慧等應用的興起，數據中心中也在走向基於光通信的數據互聯。這主要的原因在於，人工智慧等應用將對於數據互聯帶寬的需求大大提升了，而常規的銅電纜互聯越來越難以滿足需求。例如，在人工智慧應用中，數據中心常常需要進行大量分布式計算，而分布式計算中，不同伺服器之間需要頻繁的大量數據交換，數據互聯的帶寬往往會限制整體任務的性能。這也是大數據時代的一個特點，即算法為了處理海量數據，數據訪問的性能和計算性能幾乎一樣重要，有時候甚至更重要；而隨著算法規模越來越大，需要使用多台伺服器進行分布式計算的場合也越來越多，因此伺服器之間的高速數據互聯就成為一個極其重要的核心技術了，而這成為數據中心引入超高帶寬基於矽光子的數據互聯的主要理由。在幾年前，人工智慧剛剛興起時，Nvidia就憑藉和Mellanox的合作在機器學習訓練中引入基於光互連的InfiniBand從而助力高性能訓練，而到了今天類似的超高速光互聯已經幾乎成為數據中心的標配。
在未來，我們認為大數據和人工智慧將繼續成為驅動數據中心市場的主要動力。正因為如此，未來數據中心對於基於光的數據互聯的需求可望進一步增加，而這也將進一步提升矽光子的市場規模，我們也因此看到了半導體業界的幾大巨頭都在積極布局相關的矽光子技術。
矽光子技術與CMOS晶片設計
我們認為，矽光子技術目前正在經歷一場重要的技術革新，其中的核心技術就是協同封裝光子（co-packaged optics，CPO）技術，使用該技術可以把矽光子模塊和超大規模CMOS晶片以更緊密的形式封裝在一起，從而在成本、功耗和尺寸上都進一步提升數據中心應用中的光互連技術。
CPO技術的主要是指把矽光模塊和CMOS晶片用高級封裝的形式（例如2.5D或者3D封裝）集成在一起。在CPO技術興起之前，目前的傳統技術是把矽光模塊和CMOS晶片獨立成兩個單獨模塊，然後在PCB板上連到一起。這麼做的好處設計較為模塊化，CMOS晶片或者矽光模塊單獨出問題的化都可以單獨更換，但是在功耗、尺寸和成本上都較為不利。例如，由於矽光模塊的輸出是超高速數據，這些數據使用PCB板連接到CMOS晶片上會遇到較大的信號耗損，因此需要恨到的功耗才能支持高數據率。此外，成本上要設計支持超高速信號的PCB也需要較高的開銷，而在尺寸上來說分立的矽光模組和CMOS晶片通常集成度更低，這也限制了進一步提升數據中心中的伺服器密度。
而CPO就是為了解決這些問題的技術。當使用高級封裝技術把矽光模塊和CMOS晶片集成到同一個封裝內之後，首先矽光模塊和CMOS晶片之間的數據連接質量（信號耗損）相比PCB板來說要改善不少，因此能降低功耗；另一方面在大規模量產之後，高級封裝也能帶來成本上的改善。最後，使用CPO之後，由於都集成在同一個封裝內，整體系統的集成度大大提升，尺寸減小，因此也能提升矽光子技術在數據中心應用場景的普及。
目前，眾多矽光子領域有投資的巨頭都在大力發展CPO技術。如前所述，矽光子技術帶來超高速互聯是人工智慧等分布式高性能計算的核心技術，因此以數據中心為主要市場的公司如Nvidia和AMD都對於CPO有大量布局和投入。Nvidia自從收購Mellanox之後，也進一步強化了其在高性能光互連方面的能力，而在CPO方面Nvidia也公布了其目前的在研技術，即使用CPO技術把GPU和矽光子晶片集成在同一個封裝內，以同時支持24路NVLINK，從而實現4.8Tbps的超高速互聯。
而在數據中心中與Nvidia直接競爭的AMD則也在大力布局CPO技術，日前公布的和Ranovus的合作我們認為就是AMD對於CPO的重要投資。Ranovus是CPO領域的重要技術創新公司，它和TE Connectivity，IBM和Senko共同研發的CPO技術目前已經實現了把矽光子模塊和收發模塊以很高的集成度集成在同一塊晶片中（而非常規的CPO技術中矽光子模塊和收發模塊仍然是兩塊單獨的晶片），從而實現了更好的集成度和性能。Ranovus把自己的獨特技術稱為CPO 2.0，我們也預期AMD通過與Ranovus合作可以進一步提升自己在數據中心光互聯領域的能力。
除了主要用於自家高性能計算系統的Nvidia和AMD，Broadcom和Marvell等重要的網絡通信提供商也在矽光子和CPO領域有不少投入。Marvell剛剛在OFC大會上發布了其400G DR4矽光晶片，具有很高的集成度，包括收發模塊和雷射驅動模塊，該晶片通過CPO技術和Marvell的Teralynx網絡開關集成在一起，實現了超高數據帶寬。
矽光技術的工藝平台
在工藝方面，GlobalFoundries是矽光子技術方面的投入程度可能是幾家主流代工廠中最積極的。在矽光子技術方面，GlobalFoundries從數年前就開始積極布局，目前能提供先進的矽光子工藝平台，包括各種光波導、相移器、極化器、光二極體等等，除了矽光子工藝之外，GlobalFoundries還提供高級封裝選項，幫助客戶實現CPO技術。在GlobalFoundries剛剛發布的Fotonix平台中，更是進一步把矽光子和CMOS整合在同一塊晶片上，從而能實現更高的性能和集成度。根據GlobalFoundries公布的資料，目前其Fotonix平台的客戶包括Broadcom，Marvell，Nvidia，Cisco，Ranovus等矽光子領域的重要廠商，未來前景大有可觀。
除了GlobalFoundries之外，Intel也在積極布局矽光子的工藝技術。在高速網絡交換晶片市場，Intel正在力推其Tofino方案，其中也包括了自研的矽光子技術和高級封裝技術。Intel在這兩個領域其實技術積累較為深厚，在六年前，現任Intel CEO Pat Gelsinger（當時還是副總裁）就在力推矽光子技術，並且認為矽光子在未來一定會成為主流技術。憑藉Intel在矽光子工藝和封裝技術領域的積累，我們認為未來Intel也將會成為該領域的有力競爭者。
總而言之，我們認為在未來，矽光子的主要技術演進將集中在更高集成度，以及和CMOS晶片的封裝上面，而先進的矽光子製造工藝以及封裝技術將會成為矽光子技術演進的核心技術支撐。
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