星期四, 25 4 月, 2024

硅光时代:光模块行情的底层逻辑

本文系基于公开资料撰写,仅作为信息交流之用,不构成任何投资建议。

这几天钟林老师更新一篇长文《芯片投资人开始焦虑了吗》,可以说是字字珠玑,直击灵魂拷问。

钟林老师谈到了国产芯片的内卷问题,现在的芯片行业正如钟林老师所说的,现在国内芯片内卷严重,差不多产品就是无脑比价格,同质化竞争不是两败俱伤,就是满盘皆输。

所以我在之前1月1日那篇长文里特意思考这个问题并提出国产芯片2.0时代即将来临。

所谓国产芯片2.0时代我总结有两个特征:

第一是容易吃的肉已经吃完了,接下去是要啃高端市场那些硬骨头,啃下硬骨头的公司就有继续成长的机会,如果还是在低端内卷,结果肯定是看不到一丝机会和希望,接下去要做的是更高层次的国产替代而不是低端内卷;

其次是2.0时代会有一波大整合,现在芯片初创公司不要觉得干这行就自己特牛B,别人都是菜B,不要总想着自己单打独斗做大做强,适当的时机要学会整合,整合同行,整合上下游产业链,取长补短,携手进步,这点更考验公司的整合能力,执行能力,考验创始人的企业家思维,更考验背后投资人的利益。

这个利益无关技术,只关乎人性,皆大欢喜的结果自然是好的,但是实际上往往掺杂了太多利益方,你不肯让步,我不肯牺牲部分利益,结局就是僵了半天全黄最后凉凉,谁都干不好。所以做整合,做并购,是未来所有还想在这个赛道混投资机构,创业公司,上市公司们,所有人都必须要学的一门必修课,切记。

以上两点这就是国产芯片2.0时代的精髓。

回到第一个问题,什么是难啃的硬骨头?有哪些方向?我可以侃侃而谈很久,但是落到实处呢?经过我司团队的头脑风暴,我们基本确定了硅光时代是未来的大方向,所以我会在相当长一段时间内关注这个领域和赛道。

今天先抛砖引玉,结合通讯历史,对硅光技术做一些前沿探讨,如有不足之处,请各位大佬指正。

01

一场跨越大西洋的实验,开创了通讯方式新纪元

我们的中学物理课本上学过无线电波,也知道了“无线电波之父”,意大利人马可尼。

自打1864年麦克斯韦的《电磁学通论》从理论上证明了无线电波的存在,把人类带入了一个电气化的时代。半个多世纪之中,无数科学家前赴后继展开对电与磁的奥秘的研究和探索。

其中最杰出之一马可尼,他为人类开创了无线电通信的发展之路,为无线电波的应用贡献出了自己的一生。

 -1无线电之父,马可尼

1895年,马可尼利用火花放电器,感应线圈和电键制造了第一台无线电发射机,随后又把金属检波器加以改装便成了天线接收器,完成了30米的通信。

他大受鼓舞,不断改进,相继完成了1.7千米的无线电通信,随后他带着对意大利邮电部长的不屑,带着他心爱的设备来到了英国。在英国他得到了热情的支持,相继完成了2英里,5英里,10英里的实验。

1897年5月,他完成了跨越布里斯托尔海峡的无线电通信,这可是相隔了45公里的距离!震惊了整个欧洲。

1899年3月,马可尼的无线电波跨越了英吉利海峡。

1901年,马可尼克服恶劣天气的影响,在英国本土接收到了来自3500公里之外纽芬兰群岛的信号,实属不易。

这也是人类无线电信号跨越大西洋的故事来源。

于是赶着马车的邮差成为历史的一页,人类的通信不再靠“吼”,而是借助无线电波的技术,实现全球通信。

02

互联网的诞生

1969年,在半导体技术突飞猛进的草莽年代,美国诞生了一组专用通信网络,阿帕网。

随后阿帕网的技术不断迭代和发展,在此基础上发展出了internet,也就是因特网,这种计算机互联网络,把全世界的电脑都连接在一起,信息的贡献和通信更加便捷。

在1995年4月11日,身中剧毒的朱令的同学们将她的病情翻译成英文向全世界医学界发了一封描述病情的邮件,恳请各位医学专家提供诊断和治疗建议。

最终在互联网和医学界的努力下,被确定是铊中毒,为挽回朱令生命做出了重要贡献。

只可惜,尽管命是救回来了,但是铊在身体内滞留时间过长,已经造成了不可逆的损害。带着残破的身体,坚强的朱令一家就这样过了30多年。可惜不久前,去年的12月22日,刚刚过完50岁生日的朱令,这位坚强的女孩子最终离开了人世。

无数人惋惜,无数人愤怒,愤怒的是凶手至今逍遥法外,没有受到应有的法律惩罚,希望在我有生之年,给朱令全家,给全社会一个交代。

有了互联网,电脑要连接上网,就必须使用专用的连接线。于是在上世纪70年代,专用的网线就诞生了。

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这种常见的网线,也因为不同的时代,有不同的区别,在90年代,Cat5的网线问世,标志着网线技术的重大突破。

这种网线采用高质量的双绞线,通过导线的搅合密度和降低感染,使得数据传输的速度和质量得到了大幅提升。

紧接着,为了应对更大的网络应用和需求,Cat6网线诞生,它比5类线,有着更可靠的质量和更先进的设计,支持更高速度的传输速度和更长的传输距离。

这种6类线广泛应用于企业网络,数据中心,以及高速互联领域。通常6类线也对应从千兆(1G)到万兆(10G)的网络,至今还有大量的网线采用这种标准。

03

光纤之父,高琨

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2009年诺奖得主光纤通信之父,高琨

随着通讯的数据量越来越大,有没更好的传输介质?这一难题摆在了全世界通讯界的面前。

怎么办?有人想到了用光信号替代电信号。

早在公元前300年,欧几里得就发现了光在空气和水中传播会发现折射现象,这为后世光纤发展奠定了基础。

1960年,美国物理学家泰勒和哈奇等人,成功制造出人类第一根能够传输光信号的光导纤维,这是光纤历史上最重要的里程碑,它采用了两层玻璃材料,通过光的反射原理进行光信号的传输。

到70年代,德国科学家基尔霍芬,成功制造出第一根单模光纤,相比多模光纤,单模光纤能够传输更多的光信号,大大提高了通信质量和传输距离。

到80年代,半导体激光器的和光电二极管的发展,让光纤传输技术得到了革命性的进步,激光器的应用使得光信号能够更远距离地传输,而且它几乎不会衰减。

这期间有位华人科学家高琨,对光纤通讯做出了重要贡献。

1957年,高锟即从事光导纤维在通讯领域运用的研究。

1964年,他提出在电话网络中以光代替电流,以玻璃纤维代替导线。

1965年,高锟与霍克汉姆共同得出结论,玻璃光衰减的基本限制在20dB/km以下,这是光通信的关键阈值。然而,在此测定时,光纤通常表现出高达1000dB/千米甚至更多的光损耗,显然高损耗率很大程度上阻碍了光纤技术的发展,于是高琨开始寻找低损耗材料和合适纤材料来满足长距离光纤通讯的需求。

1966年,高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理,描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说,只要解决好玻璃纯度和成分等问题,就能够利用玻璃制作光学纤维,从而高效传输信息。这一设想提出之后,有人称之为匪夷所思,也有人对此大加褒扬。但在争论中,高锟的设想逐步变成现实:利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛,全世界掀起了一场光纤通信的革命。

1969年,高锟测量了4分贝/千米的熔融二氧化硅的固有损耗,这是超透明玻璃在传输信号有效性的第一个证据。在他的努力推动下,1971年,世界上第一条1公里长的光纤问世,第一个光纤通讯系统也在1981年启用。

在20世纪70年代中期,高锟对玻璃纤维疲劳强度进行了开创性的研究。在被任命为国际电话电报公司首位执行科学家时,高锟启动了“Terabit技术”(“兆兆位技术”)计划,以解决信号处理的高频限制,因此高锟也被称为“Terabit技术理念之父”。

高锟还开发了实现光纤通讯所需的辅助性子系统。他在单模纤维的构造、纤维的强度和耐久性、纤维连接器和耦合器以及扩散均衡特性等多个领域都作了大量的研究,而这些研究成果都是使信号在无放大的条件下,以每秒亿兆位元传送至距离以万米为单位的成功关键。

04

光模块通讯

解决了传输介质问题,接下来就是解决光发射/接受,以及调制解调等技术问题。

这些问题只是工程学应用的问题,无非就是把这些负责具体功能的芯片造出来,然后把它们整合到一起,光模块就做成了。

所谓光模块(Optical Modules),实际上的作用是实现光电信号互相转换的光电子器件,因为计算机用的是以0和1为单位的电信号进行运算,要通过光纤传递光信号,那么必须要有专门的光电转换器,这就是光模块的基本作用和原理。

光模块,它主要由光部分和电部分两部分组成。光部分就是光发射器、光接收器等,而电部分就是各种功能电路,各种芯片比如驱动器,数模混合芯片,编解码芯片,时频信号处理芯片等不同功能的芯片。

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光模块工作原理,图片来自网络

然后把光芯片和电芯片整合到一起,用特定的封装技术封装好后就变成我们看到的光模块。

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成品光模块

根据不同的应用场合,不同的通信技术标准,光模块接口速率也各不相同,从125Mbit/s到41.25Mbit/s不等。

然后通过更先进的光波分复用技术,我们就做出了10G到400G不同的光模块。

随着不同时代,整合的技术,封装技术也各不相同,最早的300PIN MSA光模块是最先应用于SDH和10G以太网光纤传输网络的模块。第一个可插拔光模块是GBIC,在千兆以太网接口转换器,交换、路由产品广泛使用。紧接着就相继出现了XENPAK、XPAK/X2、SFP、XFP、SFP+等可插拔光模块。

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图片来自网络

然后就是QSFP、CFP、CXP、CDFP、QSFP-DD、OSP等等光模块如雨后春笋般冒了出来,对应的速率也从10G、40G、100G、200G、400G到最新的应该是QSFP-DD,多模的,850nm波长,黑白光,400G主流,当然未来还有800G,甚至OFC2023上展示的1.6T的光模块!

但是到800G,1.6T时代,问题也随之而来了,这样的封装方式已经制约了更高光模块速率,业内追求更高集成度,更低功耗,更强速率,于是硅光时代来临。

05

硅光时代

传统光模块,实际上依然是在一块PCB板上实现,把各个分立器件直接整合PCB板上就行了,然而PCB受到制约条件太多,800G几乎已经是极限了,那如果想进一步呢?

于是硅光技术来了。

首先大家思考一个问题,为什么我们需要这么高的传输速度?

答案是显而易见的,因为传输和存储的数据,几乎是几何倍数的提升。

如今互联网的带宽已经达到了几百Tbps的水准,这对数据中心内的后端流量提出惊人的需求,显然单个服务器设备的处理能力是有限的,于是有人提出能不能解决处理器间通信?这样多个芯片联合起来,就能进一步提升计算能力,非常棒!那么怎么实现多芯片联合呢?

这就是1.6T以太网的诞生初衷,就是为了处理器间通信。

因此,处理器间通信成为了1.6T以太网的首个应用场景。继这一代应用之后,预计数据中心将推出交换机间的直连技术,实现高性能处理器和内存资源的集中利用,大幅提升云计算的扩展性和运行效率。

洒家曾经在DPU网络芯片那篇文章里也讲过这个应用场景,网络芯片哪家强?专业科普:原来这个领域要比你想的更复杂!

我推断未来存算分离之后,处理器间通信比如CPU和DPU之间,可以用一条高速通信的总线+高速光模块把两个不同的功能的服务器连接到一起打破系统瓶颈,进一步提升系统性能。

这就是典型的1.6T超高速以太网的应用场景。

1.6T的超高速以太网非常的复杂,涉及专业的网络通信知识,包括控制单元下的MAC、PCS、PMA,AUI附件接口单元PHY下面的PMA,PMD等等。

MAC也就是介质控制访问器,它负责以太网成帧功能,包括查看源地址和目标地址、管理帧的长度、在必要时添加填充,添加/检查帧校验序列(FCS),以确保帧的完整性。

MAC又分两大类,包括网络接口卡(NIC),交换/桥接MAC。

对于较低的以太网速率,物理编码子层(PCS)只需对数据流进行编码,即可开始检测数据包,并确保信号平衡,然而,随着以太网速度的提高,PCS的复杂性也在增加。如今,由于每个物理链路上都有高速信号,因此有必要使用前向纠错(FEC)来克服固有的信号衰减。

换言之,整个以太网延迟是整个系统的延迟,它包括发送队列、信息处理时间、传输持续时间、介质穿越时间、信息接收时间、结束处理时间和接收队列中的时间。

除了本身数据源匹配,纠错,等数据处理所花的时间之外显然就是中继站,包括交换机,光模块转换间的各种延迟。

所以谷歌整了一个OCS光交换机,光模块上整出800G,1.6T的超高速光模块,毕竟遇到瓶颈才有新的需求!

传统的交换机上,从接收到光信号转换成电信号处理之后再变成光信号转发出去,要多达7,8次光电转换,这都带来了巨大的功耗开销以及性能损失。

于是谷歌直接用光纤准直器阵列(fiber collimator array),光纤直准器阵列内部包含多个光纤阵列和微透镜阵列,来实现光信号的输出输出。而用的实现光开光和转换就是用多个MEMS阵列芯片,而MEMS芯片的加工制造,就是赛微电子的瑞典工厂,它就是干的这个活,毕竟瑞典厂号称“MEMS领域的台积电”。

谷歌的OCS光交换机号称能实现136个光路之间的任意切换,还能双向传播,比传统交换机不知道提高了多少倍性能。现在这项技术已经部署到谷歌最新的TPU v4的集群中,效果拔群!

光交换的部分讲完了,最后讲本文重点硅光。

所谓硅光,如果简单理解可以理解成把前面所提到的光模块上的独立的光芯片,电芯片全部集成到一起,用硅的CMOS技术把它们在同一块晶圆上做出来。

集成之后,这东西就叫EPIC,光电子集成电路,E就是electronic,P就是photonics,IC就是集成电路,所以EPIC就是用集成电路的IC制造技术,把光和电整合到一起,因为是用硅集成电路工艺整出来的,所以叫硅光!

实际上光电子集成电路技术并不是最近才有,很多年前,上世纪90年代就有使用掺杂石英,铌酸锂或磷化铟等材料作为材料表面,在电信和长途数据通信上已经有所应用。

但是众所周知,集成电路使用的基础材料是硅,因为硅工艺非常成熟,而且有较低的成本和更大的产能,也就是说在硅工艺上,能实现器件小型化和低成本,是非常适合商业化的技术。

总结起来硅基版本的光电子集成电路技术优势有4条:

1、光信号在传输过程中衰减小且传输带宽高,可得到超快速率和高抗干扰特性传输信号;

2、利用已有的微电子技术在大规模 CMOS 集成、低能耗、低成本等方面的优势;

3、在硅芯片上集成光传输通道的工艺难度相对较低;

4、以硅材料为衬底,实现硅光,电,其他材料(如3-5族化合物)等的 CMOS 集成;

从现有的EIC电部分芯片,实际就是用硅材料做的,比如驱动器,编解码,CDR,DSP,只是现在是分立,无非就是怎么做出一个SoC芯片,这个非常考验设计功底和制造能力。

剩下的就是光分立器件部分。

传统的光通信模块主要是由3-5族半导体芯片、高速电路芯片、无源光组件及光纤封装而成。但随着晶体管尺寸不断变小,电互连面临诸多局限,业界发现摩尔定律不再适用,50Gbps已经接近传统铜电路极限。数据中心内部及芯片层面的“光进铜退”成为必然。硅光,即采用激光束代替电子信号传输数据,将光学器件与电子元件整合在一个独立的微芯片中,在硅片上用光取代铜线作为信息传导介质,以提升芯片与芯片间的连接速度。

所以怎么才能把这EPIC在硅晶圆上集成呢?

众所周知,硅材料在光上面非常弱的,硅材料本身是间接能隙材料,很难产生光源,因此过去的光模块的发射和接受普遍使用磷化铟或者是砷化镓材料制造,用它们来做光分立器件。

现在是准备把3-5族化合物材料和硅材料做异质集成,将几种材料放一起,既能实现3-5族材料的有源功能,又能利用硅集成电路工艺优势。

英特尔的 Silicon Photonics 100G PSM4 QFSP28 Transceiver report

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早在2018年,OFC上亨通洛克利展出的一款硅光芯片:激光外置,在交换芯片上集成了光收发的功能,相当于把光模块与交换机芯片的距离无限拉近在一起。

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图片源自OFC 2018 亨通洛克利

前景是美好的,但是工艺和设计上依然面临一大堆挑战,如何让光和电在硅晶圆上做到最大程度的兼容?这是整个产业链生态的问题。

目前业界想到的办法是在SOI硅上做。

所谓SOI硅,专业词叫绝缘衬底硅,实际上是一种特殊结构的硅片,它更像一个三明治夹心结构,在硅中间有一层二氧化硅。

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现在使用BiCMOS工艺,已经能把调制解调,光波导,光探测,电容,电阻以及绝大多数的电芯片集成到一起了。

只剩光发射,业内也想到了用Local SOI工艺,把光电二极管,耦合器之类的集成到一起。

所以未来的硅光电子集成方案基本成形。

在一块SOI硅上,左边是Local SOI上集成光芯片,右边是BICMOS工艺集成双极型晶体管,NMOS,PMOS,等各种电芯片的晶体管。

于是在一块小小的SOI硅上,实现了800G,1.6T超高速率的光模块功能。

再展开题外话,现在硅光仅仅用于光通信,并不是硅光技术的极限,英特尔在多年前就已经想到了用硅光技术替代一部分芯片上的铜互联,和光通信上的“光进铜退”,如出一辙,只是不知道这项技术什么时候能商业化落地,让我们拭目以待。(作者:陈启 启哥有何妙计)

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