【決戰矽光子2-1】藉「光速」挑戰電子物理極限！一文看懂矽光子為何爆紅

在 AI、HPC 等應用推動下，雲端資料中心承擔爆炸性傳輸量，傳統纜線的電子訊號傳輸已不敷使用。與傳統的電子訊號相較，光訊號具備高頻寬、低功耗、傳輸距離更遠等特點。而「矽光子」技術將光學元件用矽製程整合成晶片，把訊號由電轉為光，傳輸介質由銅導線轉為光波導，解決訊號衰減、散熱等問題，成為資料中心下一個解方。

甚麼是矽光子？

矽光子（Silicon Photonics）是透過CMOS（互補式金屬氧化物半導體）的技術，在矽晶片上整合了光電的通訊模組，以光訊號來做傳輸，以電訊號來做運算，是一種使用矽製程半導體技術所製造的光學晶片。

工研院產科國際所分析師張筠苡指出，這種技術涉及多種的光電訊號轉換，同時還需要微縮到積體電路以下的維度，因此具有相當高的技術門檻。

另一位分析師劉美君也指出，由於電子的物理極限，半導體微縮過程中會產生發熱延遲，讓傳輸速度變慢，所以需要利用光訊號來傳輸，光的能量一旦夠強，光波會變成粒子，稱為光子。光子的大小比電子小很多，而且傳輸時以「光速」在傳，能解決發熱問題。如今電子結構已無法解決散熱問題，但光子發熱問題少，相對比較不耗電，這是矽光子另一大優勢。

矽光子目前進展→CPO共同光學封裝

共同光學封裝（CPO;Co-Packaged Optics）是目前矽光子能做到的技術進展。CPO透過先進封裝技術將光子積體電路（PIC）與電子積體電路（EIC）整合在同一個基板上，來提升互連頻寬與傳輸效率。優點是減少光引擎與ASIC之間的連接距離，同時解決訊號損失的問題，因此，CPO可以說是實現矽光子在光電互連的一個重要階段。


張筠苡指出，從2000年至今，市場仍以可插拔（Pluggable）光學元件為主，並朝OBO（On-Board Optics）、NPO（Near-Package Optics）型態發展，NPO、OBO都是邁向CPO之前的過渡型態。這期間，業者朝縮短光學模組跟ASIC晶片之間的距離作為研發方向，像是NPO就是在中間多放一層高性能PCB（印刷電路板），對ASIC和光學模組進行更高效整合，以提升傳輸速率，並保有訊號完整性。


半導體兩大龍頭投入矽光子

國內投入矽光子研發以晶圓代工龍頭台積電和封測龍頭日月光為主。其中，日月光在此領域已耕耘十多年，日月光投控營運長吳田玉表示，矽光子技術必須長期耕耘，台灣在全球半導體產業已大贏，若繼續掌握矽光子技術，台灣半導體產業可謂如虎添翼，絕對不能放掉矽光子技術，日月光會持續研發和投資。


至於台積電在矽光子領域研發以「COUPE;緊湊型通用光子引擎」技術為主，COUPE使用SoIC-X晶片堆疊技術將電子裸晶堆疊在光子裸晶之上，相較於傳統的堆疊方式，能夠為裸晶對裸晶介面提供最低的電阻及更高的能源效率，能支援AI熱潮帶來的數據傳輸爆炸性成長。

在研發進程上，台積電預計於2025年完成支援小型插拔式連接器的COUPE驗證，接著於2026年將其整合於共同封裝光學元件的CoWoS封裝基板，將光連結直接導入封裝中。藉此可降低2X功耗、將延遲降低10X。

台積電還在探索一種更為先進的共同封裝光學元件方案，將COUPE整合於CoWoS中介層，進而將功耗再降低5X、將延遲再降低2X。台積電表示，矽光子是共同封裝光學元件的最佳選擇，因為其與半導體相容，且可與EIC/PIC/交換器在封裝層高度整合。