1   “ 云光互連”市場年增兩位數

AI及生成式AI正在深刻地改變著市場，也進一步推動了對更高速率、更高帶寬、更高能效的解決方案的需求。據光通信行業市場研究機構LightCounting 預測，100 GbE 及更高速的以太網光芯片數量將快速增長，預計從2024 年的3660 萬，增加到2029 年的8050 萬。其中硅光（SiPho）芯片的增長最快，從2024 年的960 萬，增加到2029 年4550 萬。在硅光芯片中，最耀眼的明星是CPO（共封裝光學）端口，盡管從2024 年開始起步，2029 年將增加到490 萬（圖1）。

圖1 100 GbE及以上的以太網光芯片市場

與此同時，端口的傳輸速率也在不斷提升，今天主流的速率是800 Gbps，未來將達到3.2 Tbps。

在市場營收方面，LightCounting 首席執行官兼首席分析師Vladimir Kozlov 博士指出，數據中心用可插拔光收發器市場增速顯著，2024 年市場規模已達到70 億美元，在2025-2030 年期間，年均增長率預計將達到23%，期末市場規模將超過240億美元?；?a class="contentlabel" href="http://www.j9360.com/news/listbylabel/label/硅光">硅光調制器的發展，光模塊的市場份額將從2024 年的30% 上升到2030 年的60%。

廣義上，數據中心是目前光互聯技術的第一大應用市場，用戶主要包括AWS 之類的超大云服務廠商。除此以外，這個市場也有其他的一些參與方，例如收發器的相關研究機構和團隊，還有來自全球的一些其他獨立玩家。由于這些企業大都沒有自己的芯片工廠，因此會帶來代工的巨大需求，ST（意法半導體）預計到2030 年，相關的硅光技術+BiCMOS 的代工市場總規模將達到20億美元。

2   為何硅光與BiCMOS成新寵？

與現在流行的EML和VCSEL技術相比，硅光為可插拔式收發器帶來優勢，例如可以實現更遠的傳輸距離，具備更高的傳輸速度。預計未來幾年，硅光在收發器市場中會占據最大份額，甚至有可能擠占傳統用于GPU短距離銅纜連接的市場份額。

據LightCounting 分析，200 Gbps/ 通道是AI 集群800 G/1.6 T 光模塊對傳輸速率的最低要求。從全部KPI 指標不難看出，硅光是高速光模塊的首選技術（如圖2）。

圖2 硅光與EML/VCSEL比較

硅光技術的市場份額會隨著AI需求增長而水漲船高。相比之下，EML（GaAs）技術將在常規數據中心市場和最高400G光模塊（每通道100 Gbps）市場上保持穩定良好的份額。業內正積極研發克服100 G/ 通道的速率極限。VCSEL（InP）在常規數據中心市場上保持穩定份額，但局限于短距離連接應用，因此市占率較低。業界正積極研發克服每通道100 G 的限制。

硅光技術以優異的性能成為了希望之星。但如果想再進一步提升能效，可以通過BiCMOS 工藝實現更加線性的電芯片，從而省去了DSP，以降低系統的整體功耗。

圖3 光收發器技術市場預測（來源：LightCounting，2024年5月24日）

3   ST操刀代工，提供獨特的硅光和BiCMOS平臺

數據中心互連的核心是成千上萬的光收發器，這些器件進行光電和電光信號轉換，在GPU、交換機和存儲之間傳輸數據。它們大都是可插拔的——可以插入交換機或服務器，以構建靈活的互聯網絡。

光收發器主要由三個半導體器件構成：MCU（微控制器），用于控制收發器的操作；電芯片（EIC），以驅動光源/ 激光器，并放大信號；光芯片（PIC），進行光電信號的轉換（見圖4）。

圖4 光收發器的結構

ST近日宣布面向數據中心和AI 集群帶來了高性能的云光互連技術，包括高能效的硅光解決方案PIC100，以及BiCMOS工藝的B55 和最新的B55X?！斑@些技術具有獨特的優勢?！盨T射頻與通信子產品部（RFOC）副總裁Vincent FRAISSE告訴EEPW記者，并進一步介紹了其優勢。

●   硅光技術儲備了10年， 可在300毫米晶圓制造

早在十年前，ST 就已開始涉足硅光技術，但是由于當時市場尚未成熟，并不適合量產。如今時機已到，ST 推出了PIC100新技術，它是目前市場上唯一能夠支持300 毫米晶圓的單通道200 Gbps 的純硅技術平臺。

PIC100 可把硅光的所有優勢帶到市場上，而且帶來了卓越的性能，“這些性能水平是目前其他的集成硅技術所無法達到的”。Vincent FRAISSE 稱。

本質上，硅光PIC100 的優勢在于緊湊性和集成性。因為能夠將接收器和收發器集成到單個芯片中，即把收發器的調制器以及接收器的光電二極管也都能集成進來。如果在光纖上利用多個波長來傳輸數據，那么像復用器（MUX）和解復用器（DMUX）也能納入其中。

此外，PIC100 采用了全新的材料堆疊，實現了光纖與光芯片的高效邊沿耦合，取代了傳統的垂直耦合技術，以減少系統損耗。而系統損耗一直是困擾所有傳輸技術開發者的難題。

據悉，PIC100 已被全球最大的超大規模數據中心運營商和光收發器領域的領先企業采用。PIC100 將在ST法國克羅爾的300毫米晶圓廠生產，計劃在2025 下半年開始量產。

圖5 用光纖取代銅纜，需要OIO chiplet（芯粒）連接GPU

●   為芯片互連的CPO（共封裝光學）量身定制

除了數據中心的光纖連接，硅光連接器還有另一藍海——芯片到芯片的GPU 互連。這是因為芯片互連面臨著連接密度提高和功耗增長的挑戰，用光學連接的方式來取代傳統的機架銅攬，可以更加緊密/ 密集，從而更好地適合GPU 的物理尺寸。這是共封裝光學（CPO）的一個重要應用場景。如上文圖1 可見，CPO 市場可謂井噴。

而這些光到光互聯需要密集型調制器來實現緊湊的結構，以及定制化的電芯片解決方案以提升性能并進行優化，還需要硅通孔（TSV）技術來限制損耗，并通過3D 封裝技術提高集成密度。

談及CPO與可插拔收發器的關系，Vincent FRAISSE指出，CPO肯定是未來的一個非常重要方向，但它不是唯一的發展方向?？刹灏蔚氖瞻l器將會繼續發展，未來將會有更高吞吐量、更高速率、更佳的表現性能。

但就CPO本身，對于機架的后端，它的確是非常重要的，稱之為光學I/O（OIO）。結構上，CPO與可插拔收發器其實是非常相似的。

那么，CPO的技術挑戰是什么？

★   對于機架后端，最大的挑戰是緊湊性。這也是為什么ST 未來將會專注于推出TSV 緊湊型調制器。

★   熱管理。需要實現更好的信號質量，從而避免DSP的使用。更重要的一點在于可靠性，因為將兩個GPU連接在一起時，如果出現任何中間的一個比特傳輸的錯誤，都會直接破壞AI 算法的訓練和學習的過程。

★   可維護性。因為它剛好位于機架的后端，仍然是需要可插拔的，也就是可拆卸的光纖。

為了幫助客戶解決痛點，實現CPO 產品，ST 將在PIC100 設計平臺內提供構建這些光學I/O（OIO）所需的所有工具套件。

●   新一代的BiCMOS技術：B55 和B55X

BiCMOS 是設計和制造低功耗、高可靠性的光互連跨阻放大器（TIA）和激光驅動器的關鍵技術。ST 的BiCMOS B55 和B55X 工藝有優秀的低噪聲性能和線性度，具有同類最佳的性能，是設計200 Gps/ 通道和400 Gps/ 通道光互連跨阻放大器和激光驅動器的首選技術。

如今，在BiCMOS 平臺上的客戶研發及與客戶的合作正在不斷加速。目前約有20 家大客戶已經在使用ST的BiCMOS 技術來設計電子芯片。

新的B55X 不僅已用于收發器中，同時還用于大批量的射頻前端模塊。

談到未來，集成是一大趨勢。通過TSV，還可以將BiCMOS 產品封裝到硅光器件的頂部，這是目前ST 正在努力開發的新工藝，也會引入到PIC100 的產品家族當中。與此同時，因為該解決方案不需要DSP，也能夠幫助從系統角度來節約成本和進一步提升功效。

4 ST代工的優勢

與很多fabless 企業不同，ST 采用IDM（集成器件制造商）商業模式，涵蓋從工藝研發、芯片設計，到晶片制造、封裝測試、銷售服務的整個價值鏈條，可謂技術全面扎實。

在硅光技術和BiCMOS 工藝方面，ST 有十年以上的歷史，無論PIC100 還是BiCMOS 的技術都是業內頂尖的。除了代工，ST 還提供芯片的設計和封測服務，為客戶帶來更多的價值。更重要的是，ST 強調，不會開發自己的產品，以免與客戶形成競爭關系。

另一特色是，ST 的300 毫米晶圓廠等制造設備在法國，從地緣上接近不同類型的客戶，能夠為客戶提供一流和獨立的服務，以幫助客戶構建理想的產品。

（本文來源于《EEPW》202504）