CPO与Foundry生态系加速硅光子芯片产业化进程

July16,2025CPO與Foundry生態系加速矽光子晶片產業化進程1.AI算力需求推動光電整合•從400G到1.6T频宽需求•LPOvsCPO技術對比•CPO功耗降低50%+優勢2.矽光子技術成熟度•TSMCCOUPE平台指標•關鍵器件性能突破•量產準備度評估1.矽光子生態系統•台積電foundry-fabless模式•EDA到封測完整產業鏈•與傳統半導體差異2.全球競爭格局•IntelvsTSMCvsGlobalFoundries•各國技術發展策略•標準化挑戰•封裝技術複雜性•良率與成本控制•光電耦合製程難度2.市場機會•設備材料需求增長•系統廠商轉型趨勢•新興應用場景3-5年市場預測技術演進路線產業發展方向33HigherHigherindexcontrastSmallerwaveguides矽光子波導線的芯層和包層折射率差異大，約束光場能力佳•Core:Silicon,Refractiveindex~•Core:Silicon,Refractiveindex~3.485566矽光子波導線andElectronics”,AppliedPhysicsLetters,(2021)77矽光子的摩爾定律Source:Margalit,Xiang,Bowers,Bjorlin,Blum,andBowers,Source:PhotonDelta,2023“PerspectiveontheFutureofSiliconPhotonics產業共識：每隔兩三年的頻寬需求要加倍MarketAdoptionofLPOandCPO效能對比：CPOvs.可插拔光學元件Scale-Upvs.Scale-Out垂直擴展（Scale-up）水平擴展（Scale-out）現以銅線為主.逐步轉向光電共封裝(CPO)光纖（含光收發模組、光電共封裝(CPO)技術等）只要架構設計得當.幾乎無限制較低.管理較簡單較高.需要協調與網路管理若無冗餘設計.容易成為單點故障高.單一節點故障不影響整體系統TSMC矽光子製程概覽TSMC矽光子製程基于300mmSOI晶圓，整合65nmCMOS技術，采用OPC，CD變化<2nm。有源器件（PIN光電二極管、調製器）通過離子注入和選擇性鍺外延實現，使用六金屬層BEOL流程和鎢接觸點。1.PDK支持：提供O波段P單元（P-cells）、S參數和模型，RC特性覆蓋25-105°C範圍，支持電壓/頻率依賴性。2.高光功率操作：支持FCA和TPA引起的自熱效應，光電流影響RC和調3.DRC規則：完整設計規則檢查支持。主要元件性能oSinglemodeSiWGloss=0.67dB/cm•Active:110GHz•CompositeBBo16channelDWDM:2.5dBI.L,channelspacing=1.11nm+/-0.26nmw/oheaterTSMCCOUPEandCPOIntegrationTechnologiesandPerformanceTSMCCOUPECouplingPerformancePowerHandlingBenchmarkbetweenSiandSiNWaveguidesProcessIntegrationandCo-DesignforEIC-PICPlatformsXscapeXscapeOIO•Verticalintegration,withfourlayersofSiNPICStudio端到端的光電混合系統模擬能力PICStudio:從元件、線路、到一直整合系統的光電設計流程•Fiberopticsimulation•BER/DSP/TDECQanalysis•System-levelDSPforlong-haul•DRC/Boolean/densityverification••DRC/Boolean/densityverification•Custom&FABrules•PhotoCADintegration(chamfering/auto-repair)•PICCircuitSimulator•Multi-mode//Channel•Frequency/TimeDomain•E/PSignalProcessing&Tools•Python3&SPICEIntegration•Python3•Python3Environment•PreciseComplexLayout•Auto-routingforwaveguides•PhotonicPathControl•E/PIntegration•GenericPDKExampleAdvancedSDL•PythonLayoutScripts•3-in-1GUI•Front/Back-endSimulationSupport•SDL/CircuitSimulationEntry•ComponentParameterControl•PhotonicLinkRoutingControl•MetalLink•Cross-probe•VisibleRoutingDetails•E/PIntegrationSupport••Interfaces:AnsysLumerical,Comsol,Silvaco•FDTD&RCWASolversIntel800GBASE-2×FR4矽光子積體電路（PIC）發射器的架構•8個DFB雷射.排列為2×4CWDM組態•8個MZM偏壓終端.確保正常運作•16個正交偏壓加熱器.搭配整合式監控光檢測器•8個可變光衰減器.用於功率控制•2個溫度二極體.用於熱監控•2個四通道光學多工器.用於訊號合併•單一PIC上整合超過50個元件.每單元尺寸為5.77×Intel1.6TBASE-DR8矽光子積體電路（PIC）的設計核心規格：據速率運作.實現1.6Tbps的傳輸容量。•此PIC專為OSFP（八通道小型可插拔）平台設計.優化數據中心應用的架構。•當應用於OSFP-XD（高密度擴展）平台時.兩個PIC可結合實現3.2T的容量.展現顯著的擴展潛力。MZM性能.而非增加元件複雜度。•Intel的實現方式使頻寬密度較以往方案加倍.有效優化數據中心的空間利用。突破傳統光子神經網路局限製造完成的全光循環神經網絡（ORNN）芯片顯•創新的ORNN設計通過全光處理方式替代高功耗數位信號處理，提升光通信系統的能效。AdvancedPDK:MultidimensonalOpticalComputingandAWGTTFujisawa,SMakino,TSato,KSaitoh,“Lclothoidandnormalcurvesforlargescalephotonicintegratedcircuits”,OpticsExpress矽光子被動元件•Coupleslightbetweenwaveguides•Coupleslightfromthesideofthedieintothewaveguide•Coupleslightfromabovethedieintothewaveguide•SplitslightbetweenwaveguidesPhotonics:CoreConcepts,PracticaSource:W.Bogaerts,"IntroductiontoSiliconPhotoni矽光子主動元件waveguide,whichshifts矽光子技術的foundry-fabless設計流程與實例PICStudio在全球SiPh/LNOI/InP晶圓廠的認可TowerTechnicalGlobalSymposium2024ADKADKCompletePhotonicDesignPlatformFromConcepttoFabricationComponentDesign&SimulationAdvancedlayoutdesiAdvancedlayoutdesiCircuitLayout&VerificationAdvancedSDLAdvancedSDLSystemIntegration&TestingFabrication&Assembly產業鏈大洗牌主要的CPO生態系公司在CPO生態系統中的主要角色在CPO生態系統中的主要角色與其合作夥伴/生態系統專業光學互連組供應商推出全球首款用於AI規模應用架構的UCIe光學晶片組（8I/O晶片組和SuperNova外部光源；利用微環調器光學引擎矽光子/CPO使能者透過收購公司專注於矽光子技術光學元件供應商光學互連解決方案供應商專注於利用矽光子技術的下一代光學互連解決方案；與器CPO球首款3DCPO產品-追求創新的基於光學的互連方法-系統整合商/CPO採用者展示CPO解決方案的優勢在CPO生態系統中的主要與其合作夥伴/生態系mASIC/交換機晶片開發商作夥伴生態系統對於規模化CPO至關重要強調合作夥伴生態系統對於規模化CPO很重要CPO主要採用者和推動者）；等廠泛合作極端品質保微型化和先進2.5D-3D封裝技術，對CPO整合重要伴商將CPO技術整合到客製化AI加速器中；開發6.4Tbps3D矽光子積極參與矽光子產品開發和雷射與Ranovus合作開發用於晶圓級處理器的CPO推動AI和先進運算光連接技術的公司第一類：大型科技/半導體公司公司具體業務內容目前產品發展路線圖合作夥伴NVIDIAGPU/AI叢集光學連接、交換器；晶片光學研發InfiniBand/NVLink、Spectrum-X、Quantum-X機架/交換器光學出貨；晶片光學研發中EquinixBroadcom超大規模機架的可插拔與協同封裝光學元件100G/400G/800G/1.6T模組1.6T/協同封裝試點到2026年AWSAMD未來CPU/GPU的協同封裝光子技術（透過Enosemi）Enosemi光子晶片2025年示範；2026年首次試點GlobalFoundries、Jabil機架級光學；開發封裝內/晶片光子I/O100G/400G/800G模組2026年封裝內光子試點AWS、Google、MicrosoftMarvell雲端機架的高速DSP和光學模組COLORZII、Nova、800G/1.6TDSP協同封裝試點2025-26年Microsoft、Baidu、MetaHuawei800G-1.6T機架光學；晶片內光子技術研發OptiX、800G/1.6T模組2026年晶片內試點Alibaba、中國電信第二類：專業光子技術公司特色：專注於創新光子技術解決方案，多為新創或專業公司，提供突破性的公司具體業務內容目前產品發展路線圖合作夥伴AyarLabs晶片/電路板I/O光學晶片TeraPHY、SuperNova美國雲端試點；2026年擴展Lightmatter晶片光學互連、光子AI加速器Envise、Passage現在取樣/試點；2025年光子SoCGoogle、HPEPathfinderLightelligence晶片光學連接、AI推理加速器PACE、Hummingbird2026年商業化推出Alibaba、SMICCelestialAI記憶體/運算互連的光子架構PhotonicFabric（原型）2025年DC試點；2026年以後更廣泛推廣Samsung、SKHynix（傳聞）Avicena記憶體/AI晶片的微LED光學連接LightBundle取樣；2025-26年量產美國雲端服務商RockleyPhotonics光子感測器、資料中心800G連接、AR/VRSensors、800G光學連接通信試點、AR/VR、生醫Apple、Medtronic打造互通未來：標準組織生態系新興標準與未來趨勢產業正積極制定專為CPO和Chiplet設計的新標準，以應對下一代整合技術的挑戰。現有標準在CPO/SiP應用中各有其優點與局限。•新興的CPO標準則旨在全面覆蓋系統級的多物理場耦合效異質整合的可靠性鴻溝常見失效模式與根本機理三大巨頭的產業格局矽光子製程對比arXiv:2310.01615v1[physics.optics]客戶合作模式差異12吋矽光子代工廠是—通過GlobalShuttleMPW是—定期MPW周期（面向工業界和學術是—通過Europractice提供MPW（每年245nm級SOI）無公開MPW—計劃2025年下半年量産ParasiticsinAdvancedPackageTDRanalysisonelectricalsignallinkstodetPICStudioMonte-CarloSimulationtoEstimateProcessVariationgeneratethestatisticalConfidential|LatitudeDesignSysteCPO的新興材料需求的驅動因素對材料需求的影響驅動對高頻寬、低功耗光學互連的需求，特別是能支超大規模資料中心擴張資料中心對更快互連速度、更佳熱效能和更低促使採用能提供更高頻寬密度和能源效率的CPO解決頻寬密度提升傳統電氣互連面臨頻寬瓶頸，CPO提供顯著更高的資料能源效率的必要性資料中心功耗持續攀升，降低每位元功耗成為優先選擇具有低損耗、低驅動電壓和良好熱穩定性的對於即時AI和HPC工作負載，縮短電氣鏈路長度以降低鼓勵採用能實現高密度光學元件整合的材料，並推動各材料在CPO生態系統中的優勢與劣勢綜合分析材料平台主要劣勢/挑戰在CPO中的主要作用增長需求展望熟製造、低成本潛力、高頻寬密基礎平台、波導、調變器、中介高，基礎性，受AI/HPC和資料中高電子遷移率、良好光學特性、材料成本高（銦稀缺）、與矽整合複雜、製造精度要求高。整合式雷射器（DFB,CW）、光直接能帶隙（發光）、高電子遷移率、溫度耐受性、低雜訊、自極體、射頻元件。薄膜鈮酸鋰(TFLN)優越的高速調變、線性度、溫度傳統製造（塊狀鍵合）成本高且不可擴展；需先進方法如濺射進高，因製造進步實現可擴展性而超低傳播損耗、寬光學透明度、厚膜中高應力、高整合度下的臨低損耗波導、濾波器。高，對高速、高保真訊號傳輸至新興材料(如BTO,聚合物,石墨效調變。聚合物:高光纖密度、能源效率、穩健整合。石墨烯:高載聚合物:相對較新，長期可靠性驗證。石墨烯:低光吸收、製造均勻初步階段，未來在特定效能層級薄膜鈮酸鋰代工廠CH瑞士us美國CH瑞士CH瑞士用於MPW和專門工程運行的PDKus美國器NL荷蘭矽光子與多材料的技術對比CPOIntegrationTechnologiesandPerformanceCPOImplementationExamplesandCouplingEfficiencyAnalysis電動車光纖乙太網的優勢）：•安裝靈活，相較於屏蔽銅線更具彈性Network(SiPhON)forAutonomousCommunications(ECOC2024),Frankfurt,Germany,Sept.22-26,202車載光互連技術：滿足智能汽車數據傳輸需求光學互連解決電動車電磁干擾問題的優勢系統雜訊隔離：光學解決方案的核心優勢推動車載光纖網路-IEEE與ISO標準制定行業標準化：IEEE802.3cz介質之爭：玻璃光纖(GOF)vs.塑膠光纖(POF)傳統電子處理器高達80%的功耗浪費在晶片