「光」速革命 AI世代矽光子帶飛

【作者： 季平】

雲端運算與AI技術快速升級，解決「智慧化」海量運算需求成為重中之重。IDC預估，全球數據總量於2025年將達180zettabytes(1ZB相當於1兆GB)。龐大的數據量儲存與流動需要仰賴暢通無阻的雲端設備和網路速度，而符合AI級應用的傳輸速度甚至上看800G！如何讓運算及傳輸速度「不卡頓」成為技術創新課題，其中，矽光子扮演吃重角色。一場由「光」取代「電」做為數據傳輸主力的技術演進史於焉展開。

光取代電 矽光子快速崛起

積體電路(IC)可以將複雜的電路微縮成小尺寸晶片，在各類智慧化領域中扮演複雜運算推手，但是在摩爾定律（Moore's law）下，積體電路的技術演進已逼近物理極限，為找到更好的功耗與散熱解方，不少業者另闢蹊徑，布局「矽光子」（Silicon Photonics）技術，企圖將電訊號改以光訊號的方式進行傳輸，一方面解決訊號傳輸耗損的問題，再方面可以同步提升傳輸距離、增加資料頻寬。

矽光子（Silicon Photonics）是將晶片的「電訊號」改為「光訊號」運作，形成光電整合平台，又稱光積體電路。矽光子好比積體「光」路，將光路微縮成小小的光IC晶片，成為一條以光纖舖就而成的微縮高速公路，路上布滿光纖晶片、電路，相關技術橫跨光通訊、元件物理、設計、EDA等領域。積體「電路」擅長運算，積體「光路」擅長訊號傳輸，善用二者之能，光電整合爆發力驚人。

國立中山大學光電系教授洪勇智博士指出，矽光子是將光通訊技術置入IC，利用晶圓廠CMOS製程技術，在單一微晶片中實現複雜的光電系統功能，整合光纖通訊和矽基積體電路技術平台，使用標準EDA tool進行積體電路設計。

光本身無電荷、無質量，同一通道內訊號不會相互干擾，加上低熱量/損耗特性，相較於銅導線傳導技術更勝一籌。由於光纖接取網路與資料中心等高傳輸速度需求不斷攀升，而傳統電力數據運送速率已出現瓶頸，矽光子技術傳輸距離更遠、不受實體線路干擾，而且沒有訊號衰減等問題的特性很快躍升為最新關鍵元件，整合運用於奈米級IC晶片，有助大幅降低模組功耗、體積與成本。

舉例來說，過去資料中心的光收發器模組需要靠人力組裝不同零組件，如雷射、分波多工器、檢光器等，人力成本相當高，矽光子卻可以直接將所需光電元件整合於單一矽晶片中，大幅降低組裝成本，良率卻提高更多。

簡單來說，矽光子具有三項關鍵技術：(1)可以利用成熟CMOS製程實現低成本、高傳輸量的複雜光電路及系統商用；(2)能與CMOS邏輯和數位電路相互整合，提供電子驅動器和資料處理功能；(3)可以和其他光子材料(如SiN和III-V半導體)相互整合運用。如光學收發器(Optical transceiver) 晶片可以相互轉換電訊號和光訊號，光達 (LiDAR)、生物感測、AI、量子光學則是複雜的光路應用。

矽光子潛在市場與應用趨勢

看見矽光子技術的未來性與重要性，全球大廠競相投入矽光子研發與製造，一個20年間，矽光子積體電路的技術發展大幅躍進，如IBM於2012年成功研製矽光學晶片；Intel於2016年推出矽光子光電傳輸器；Luxtera於2017年起與台積電共同發展下世代矽光子技術；蘋果（Apple）、輝達（Nvidia）等龍頭業者也競相走上光通訊變革之路，思科（Cisco）、格羅方德（GlobalFoundries)、邁威爾（Marvell）、華為、海信等重量級業者也當然不讓。

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