【產業趨勢】中美發展半導體新戰場 台廠搶進矽光子供應鏈

資料中心未來是矽光子應用的主戰場,兩岸半導體業者未來將再度狹路相逢。(翻攝google官網)
資料中心未來是矽光子應用的主戰場,兩岸半導體業者未來將再度狹路相逢。(翻攝google官網)

美國全面封殺中國半導體產業,刀刀見骨,今年10月禁令一出,中國半導體設計、製造量能都被美方重創,不但先進晶片、半導體設備進不了中國,連美國公民未經許可,也不得協助中國研發或製造先進晶片,充滿肅殺氣氛。

不過,中國可不打算束手就擒。本刊調查,中國正全面投入矽光子晶片領域,期望藉此突圍美國禁令。台灣方面,台積電、日月光、聯亞與奈微光等業者,均已默默耕耘矽光子領域多年,兩岸半導體業者未來將再度狹路相逢。

一年一度半導體盛會SEMICOM TAIWAN,正逢美中科技戰逐漸進入白熱化的階段,日月光半導體執行長吳田玉,在線上會議點名數個未來潛力市場,一個陌生的名詞「矽光子」映入眼簾,引發眾人滿滿好奇心。然而,矽光子在中國早就受到關注已久。

日月光執行長吳田玉日前在SEMICON TAIWAN預告未來4大趨勢,其中一項就點名矽光子。(日月光提供)
日月光執行長吳田玉日前在SEMICON TAIWAN預告未來4大趨勢,其中一項就點名矽光子。(日月光提供)

 

小辭典矽光子矽光子(Silicon Photonics)就是將原本在晶片裡面跑的「電訊號」,改為用「光訊號」來運作,形成的光電整合平台,又稱光積體電路。可沿用既有的成熟製程與機台打造,透過低成本方式實現複雜光電系統與功能,現已大量應用於資料中心,未來還可用於生物感測、自駕車光達、AI、量子運算等領域。

中國搶先機 拚逆勢突圍

「中國投入矽光子研究已經很久了,而且投入的資源滿多的,在西安、上海等地都已形成矽光產業聚落,比台灣更早跨入這一塊研究領域。」中山大學光電工程學系教授洪勇智直言。

他投入矽光子研究多年,發表逾200篇的國際期刊與研討會論文,並獲得11件專利核准,洪勇智分析,美國禁令大多為限制EDA(電子設計自動化)工具和先進製程,對矽光子影響不大。而中國看準矽光子與微電子電路本質上的差異與優勢,認為將來市場會越來越大,在沒有美國箝制的情況下有機會成功,所以投入許多資源。

矽光子可沿用成熟製程與機台設備,製造出複雜的光積體電路,被中國半導體視為反撲的祕密武器。(翻攝電子工程專輯)
矽光子可沿用成熟製程與機台設備,製造出複雜的光積體電路,被中國半導體視為反撲的祕密武器。(翻攝電子工程專輯)

 

矽光子究竟是什麼呢?洪勇智解釋,矽光子是一個光與電整合的平台,可沿用既有晶圓廠的成熟製程與半導體機台,大量且便宜地製造出複雜的光電積體電路單晶片,被製程落後國際水平的中國半導體業者,視為反撲、超車的契機。

洪勇智舉例,資料處理中心的光收發器模組,過去要用人力將一個一個不同的零件組(如雷射、檢光器、分波多工器等)組裝在一起,很吃人力成本;反觀矽光子則直接將所需的光電元件整合在單一矽晶片中,不但可大幅降低組裝成本,良率也高出許多。

根據產業研究機構Yole預測,2021年矽光子晶片產值約1.51億美元,2027年將成長至9.72億美元,年均複合成長率(CAGR)近36%,其應用範圍涵蓋5G、資料中心、生物感測、量子電腦或消費性醫療等領域。

華為釀實力 併購歐公司

「中國絕對有能力做出矽光子,只是現在製造端只能依賴中芯。」洪勇智表示。但他認為,即便矽光子在製程技術沒有太大難度,仍算新研發技術,需同時考慮到光、電的特性,不像以往只需注意電阻電容值,現在也要考慮光的吸收狀況,設計思維完全不同。

中國半導體若要擺脫美國禁令限制,發展矽光子仍比七奈米、三奈米容易得多。(翻攝中芯國際官網)
中國半導體若要擺脫美國禁令限制,發展矽光子仍比七奈米、三奈米容易得多。(翻攝中芯國際官網)

 

洪勇智進一步分析,現在中國矽光子產業發展大多以IC設計為主,製造力較薄弱,加上受到美國禁令影響,晶圓廠都很怕受到制裁,特別是EDA工具和材料都掌握在美、日二國手中,單純就製造端來說,現階段的確有些卡關的疑慮。

即便如此,洪勇智仍大膽預言:「中國若要擺脫禁令限制,矽光子仍比7奈米、3奈米容易得多,因為他們武器(設備)都有了,不難打仗。」他更透露,德國和中國關係不錯,且德國也有一些矽光子能力,即使是小晶圓廠也能協助中國打造矽光子晶片。

值得注意的是,10年前,華為就悄悄併購英國CIP Technologies和比利時Caliopa二家矽光子公司,不動聲色地醞釀實力。「美國對中國的禁令管制,潛在的破口會是歐洲。」工研院產科國際所研究總監楊瑞臨一語道出他的觀察。

市場傳聞,日月光正與台積電合作,共同打造用於矽光子晶片的光學共同封裝元件(CPO)。
市場傳聞,日月光正與台積電合作,共同打造用於矽光子晶片的光學共同封裝元件(CPO)。

 

投入矽光子 神山不缺席

美國禁令讓中國不得不拿出矽光子這個祕密武器,然而,有護國神山台積電的台灣半導體也非等閒之輩,台積電早在2017年就鴨子划水,和中山大學積體光電元件實驗室合作,簽訂8年矽光子合作計畫。

洪勇智表示,台積電決定投入矽光子時,內部有不少雜音,畢竟其晶片設計概念完全不同,而且開發初期的市場定位尚不明確,由於所知有限,幾乎是從頭學起。

透過產學合作,台積電與中山大學共同開發矽光子關鍵元件設計能力,近幾年也加強對該領域的投入力道,如今已有近10位中山大學畢業生順利進入台積電矽光子研發部門工作,成為生力軍。

洪勇智教授(右)領軍的中山大學光電工程系團隊深耕矽光子多年,是台積電進軍矽光子的得力幫手。(中山大學提供)
洪勇智教授(右)領軍的中山大學光電工程系團隊深耕矽光子多年,是台積電進軍矽光子的得力幫手。(中山大學提供)

 

除了中山大學,為因應下世代網通技術的節能要求,台積電也與日月光合作,共同打造用於矽光子晶片的光學共同封裝元件(CPO),並拿下國際一線品牌客戶的訂單。對此,日月光副總經理洪志斌表示,客戶產品開發時程恕無法評論,不過CPO產品今年下半年的確陸陸續續會有相關工程樣品及量產產品出貨。

業界人士表示,就應用端而言,資料中心將是矽光子的主戰場,Google和Meta等網際網路相關科技大廠因此紛紛砸重金投入。與此同時,許多網通大廠也透過收購強化矽光子技術,如思科(Cisco)收購矽光子晶片領導廠商Luxtera,而Luxtera已與台積電合作,將使用七奈米製程生產矽光子晶片。

隨影音串流以及虛擬實境(VR)/擴增實境(AR)等應用持續導入,過去以銅線做為資料中心傳輸的介質恐不敷使用,將大量轉用光來取代。

 

龍頭英特爾 市占逾五成

洪志斌以網際網路數據的成長舉例,近5年內IP traffic(網路流量)至少成長3倍,Mobile traffic(行動裝置流量)至少成長6倍,預計頻寬與儲存需求只會逐年增加,意味著人們需要更進步的資料中心,也就是更節能、更低成本、更高效率的資料中心。

放眼全球市場,英特爾(Intel)應是最先量產矽光子的業者,Yole報告指出,2021年英特爾的矽光子市占率高達58%,獨占鰲頭。

英特爾正與Mobileye團隊進行合作,在光達(LiDAR)應用方面使用矽光子晶片。(翻攝Intel官網)
英特爾正與Mobileye團隊進行合作,在光達(LiDAR)應用方面使用矽光子晶片。(翻攝Intel官網)

 

「英特爾矽光子收發器至今已出貨超過600萬顆,主要用於超大規模雲端服務供應商資料中心。」英特爾網路與邊緣運算事業群營運長Hong Hou表示,並補充說明,部分需要高頻寬、低功耗應用的場域,將是矽光子可以發揮所長的領域。譬如未來的光學運算互連小晶片(Optical Compute Interconnect Chiplet),將在CPU、GPU和記憶體等運算資源之間,提供具能源效率、高效能的多Tb/s互連。

Hong Hou私下透露,英特爾正與Mobileye團隊進行合作,在光達(LiDAR)應用方面使用矽光子晶片。

蘋果與Rockley合作,將來只要戴上手錶,就能隨時監測許多生理功能,實現「腕上診所」。(翻攝Rockley官網)
蘋果與Rockley合作,將來只要戴上手錶,就能隨時監測許多生理功能,實現「腕上診所」。(翻攝Rockley官網)

 

奈微光發功 研智慧手錶

矽光子的好處不僅僅體現在資料中心與高速運算上頭,在健康醫療方面,矽光子可以藉由將光照射到組織和血管上,量化生物標記,創造出無侵入式的醫療監測解決方案。這樣的技術特性,吸引對健康醫療關注許久的蘋果(Apple)目光,早在2017年蘋果就看上英國新創公司Rockley,為自己在智慧醫療領域取得有利位置。

Rockley將旗下矽光子感測器稱為「腕上診所」,能實現監測血糖、血壓,甚至是酒精濃度等功能。想像一下,未來手錶將不只是手錶,還能隨時監測許多生理功能。熟悉矽光子產業的專家推測,蘋果下一代智慧手錶,可能就會搭載矽光子技術,大家不妨拭目以待。

緊隨國際大廠腳步,台灣矽光子半導體產業鏈也逐漸成形,製造端有台積電與日月光,而IC設計則由奈微光一馬當先。

奈微光在創立之初就看好矽光子感測器在智慧手錶上的應用,著手研發相關技術。
奈微光在創立之初就看好矽光子感測器在智慧手錶上的應用,著手研發相關技術。

 

與蘋果英雄所見略同,奈微光在創立之初就看好矽光子感測器在手錶上的應用,著手研發相關技術,並於日前順利量產首款具備血氧、血壓、心律、溫度等四合一功能的偵測晶片,體積僅有米粒大小,適合搭載在智慧手錶中。

「現在除了蘋果導入溫度感測功能外,就只有奈微光在手錶內加上溫度感測功能。」奈微光共同創辦人暨技術長林清富興奮地表示,他說,新冠疫情發生後,量體溫已成例行公事,此時在手錶加上溫度感測功能後,就能直接偵測出人體真實溫度,隨時記錄體溫變化。

半導體加持 台後起直追

林清富進一步指出,目前市面上的智慧手錶已有血壓、血氧與心律等功能,取代意義不大,但是矽光子的優勢就是可在一樣的成本造價上增添功能,藉此提升產品附加價值。

回首當年,奈微光共同創辦人暨策略長陳孝昌充滿感觸地說:「真是一部悲慘創業史。」一開始每個月都要燒掉200萬元,只好四處籌錢,幸而獲中華經濟研究院副院長王健全等人投資,度過難關。「那時候大家還沒很看好,Edison(陳孝昌)為了省錢,常約我吃關東煮討論工作。」王健全打趣地說。

隨著技術逐漸到位,相關應用陸續起飛,奈微光營運出現轉機,募資也更加順利。林清富語氣堅定地說:「矽電子(積體電路)和矽光子就猶如半導體的屠龍刀和倚天劍,江湖中勢必人人爭相搶奪。」

大數據資料爆發,資料中心高速運算、高速傳輸建置迫在眉睫,更加確立矽光子發展潛力。專家表示,目前矽光子雖仍處萌芽階段,且美、中搶先台灣開跑多年,但台灣半導體供應鏈與基礎不容小覷,在這場「光速」對決中,誰能成為最後贏家,還很難說。

 

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