硅光技术在数据中心领域的重要性日益增长

今年8月，英伟达首席科学家 Bill Dally在 OFC 2022 上的演讲描述了未来的 GPU 加速系统与硅光子互连的构想。近日业内消息人士称，台积电参与了一个由英伟达领导的研发项目，该项目将被称为 COUPE（紧凑型通用光子引擎）的硅光子 (SiPh) 集成技术用于GPU，以组合多个 AI GPU，这或将给GPU以及数据中心带来新的变化。  

SiPh 芯片和 CMOS 工艺经过共同封装光学 (CPO) 技术集成，可以将多个高级GPU与芯片上晶圆上基板 (CoWoS) 2.5D IC 封装相连接。再加上光数据传输的低延迟优势，通过台积电COUPE等先进封装技术，信号损失显著降低，甚至允许多个AI GPU组合形成超大型GPU集合。据报道，英伟达和台积电的研发项目将需要数年时间，并且必须等到 SiPh 生态系统成熟。  

英特尔此前制定了自己的 SiPh 计划，专注于集成包含化合物半导体组件的激光模块，中国台湾外延片制造商 LandMark Optoelectronics 很早就开始着手这项工作。据了解，台积电与潜在客户协商的先进封装模式COUPE将只保留光通道；激光收发器部分将放置在外部。这种架构将具有高良率，并且将避免使用英特尔 SiPh 专利。此外，随着台积电在高性能计算中使用 CoWoS 封装的长期成功，HPC和先进的网络交换芯片可以使用“COUPE+CoWoS”异构集成方法。  

通过 COUPE 组合多个顶级 AI GPU 形成超大型 GPU 芯片组，从操作的角度来看，将被视为单个 GPU。这样一来，它就不需要遵循英特尔高难度的集成方法，即集成激光光源，而是需要更多地考虑化合物半导体的激光芯片。消息人士补充说，台积电先进的封装技术为客户提供了更大的灵活性。  

台积电的先进封装客户不仅包括英伟达，还包括一直热衷于获得SiPh专利的AMD/Xilinx，以及博通、思科和Marvell Technology。此前有报道称，台积电在 2007 年试图赶上英特尔的 SiPh 计划时，曾讨论过与 Luxtera（现为思科的子公司）的合作关系。然而，当时芯片制造商认为 CoWoS 的成本太高，而是打算寻求与 OSAT 的合作伙伴关系。  

从包括日月光及其子公司矽品精密工业股份有限公司（SPIL）在内的领先OSAT的先进封装技术平台来看，CPO已成为先进封装的代表之一。从供应链上游来看，EDA供应商Synopsys推出OptoCompile平台，可以用于电子和光子集成电路设计、布局、仿真和验证。Yole 的数据预测，用于数据中心联合封装光学 (CPO) 的硅光子市场将从 2021 年的几乎为零增长到 2027 年的约 720 万美元。   

2022年硅光子模块产业价值9.3439亿美元

市场研究机构 Yole 估计，SiPh 组件市场将从 2018 年的 4.55 亿美元增长到 2024 年的 40 亿美元，复合年增长率为 44.5%。其他研究机构预测，在数据中心、人工智能芯片和超级计算机的持续计算、性能和传输速度升级的推动下，复合年增长率将超过 50%。  

Yole 预计硅光子在光收发器市场的份额（目前估计超过 20%）到 2027 年可能会扩大到 30% 左右。据Yole预测，提高集成度的主要驱动力应该是数据中心向 400G 和 800G 可插拔的演进；在数据通信应用中更多地使用相关技术；以及对符合 400ZR 标准的技术的需求。根据 Yole 的估计，所有这些都可能将数据中心收发器的市场从 2021 年的 1.48 亿美元提升到 2027 年的 4.68 亿美元。Yole还看到了“分散”数据中心的趋势，这些数据中心建立在部分由硅光子支持的光学互连之上。这样的架构可以证明是为高性能计算和数据通信提供更多功率和效率的关键。  

Yole 指出的另一个新应用领域是用于消费者健康设备的硅光子学，该公司预计到 2027 年，该市场的复合年增长率将达到 30%，达到 2.4 亿美元。在这方面，报告特别提到了可能的出货量Rockley Photonics 将在未来一年左右推出其 VitalSpex 生物传感部门，这可能预示着“来自苹果或华为等大品牌”的可穿戴技术中基于硅光子的传感器的出现。Yole 预计用于人工智能和其他高端计算应用的光子处理器的复合年增长率将达到 142%，达到 2.44 亿美元。  

Yole 观察到，所有这些应用的增长正在影响硅光这个本身处于不断变化状态的行业。该公司表示，巨大的新应用潜力在过去几年中催生了大量初创公司。但是，与此同时，随着大公司努力扩大规模，该行业继续出现收购活动和整合。  

总体而言，未来硅光模块市场格局波动较大，新进入者机会明显。整个硅光模块产业发展空间广阔。随着5G进入大规模建设阶段，传输网络扩容和建设的投资将不断增加，为高速硅光模块打开市场。

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