在半导体行业深耕41年的格芯（GlobalFoundries）首席技术官Gregg Bartlett，以其深厚的行业积淀，从半导体制造视角剖析了硅光子学的发展现状与经济挑战(不过他更多的是针对硅光CPO/OIO行业)。作为全球领先的半导体代工厂，格芯年营收超70亿美元，在新加坡、德国德累斯顿、美国佛蒙特州及纽约州北部拥有大型制造基地，其中纽约州北部工厂是硅光子学技术研发与制造的核心枢纽。硅光子学作为格芯八大核心技术平台之一，正借助半导体规模化制造能力，推动这一尚不成熟的技术走向产业化。
◆ 硅光子学的市场驱动力与技术必然性
硅光子学的崛起源于物理极限与市场需求的双重推动。从物理层面看，铜导线与电子传输已逼近性能天花板，即“互联墙”（interconnect wall）。格芯合作伙伴IMEC的研究数据显示，电气互联在带宽、功耗、传输距离的综合指标（Gbits/s/mm/pJ/bit）上已难以突破，而硅光子学成为突破这一极限的关键。Ayar Labs于2023年OFC展示的4Tbps OIO，实现了突破“互联墙”的技术验证，印证了硅光子学的潜力。
市场需求方面，数据中心的高速互联需求呈指数级增长。当前超级数据中心的GPU集群需实现全光互联，单集群包含32个机架、数千个GPU，其复杂互联架构对带宽、功耗提出严苛要求。同时，AI模型向100万亿参数演进，能耗激增，硅光子学凭借高带宽、低功耗特性成为必然选择。
◆ 硅光子学产业化的核心挑战
尽管潜力巨大，硅光子学的规模化应用仍面临多重“不便言说的真相”，这些挑战构成了其经济方程的核心变量：
① 技术多样性与标准化缺失
硅光子学领域呈现显著的“技术多样性”，如同“雪花效应”——每个客户均采用独特技术路径。从250um与127um 光纤阵列，到硅波导与SiN波导，再到Ge光电探测器、MZM、MRM等，组件类型繁多如“动物园”，每种元件都需单独验证性能与可靠性，极大增加了产业化难度。格芯的应对策略是推动技术收敛，建立标准化平台。
② 可靠性与寿命考验
数据中心的高复杂度使得光互联系统的平均无故障时间（MTBF）需以天甚至小时计量。这要求光电器件必须通过严苛的可靠性测试，包括2000小时湿热循环、温度冲击等环境考验。格芯通过借鉴半导体行业的周期性可靠性监测（PRM）体系，每月对平台进行全项测试，确保性能无漂移。
③ 成本与规模效应瓶颈
当前硅光子学成本仍高于电气方案，主要源于低量产规模。格芯数据显示，其硅光子学晶圆年出货量约1.2万片，仅为实现规模效应所需量的1/10。成本模型分析表明，晶圆加工仅占最终物料成本的25%，而理想状态应达75%，封装、测试及光纤集成环节的低效推高了整体成本。此外，光学测试速度以“芯片/小时”计量，较半导体行业的“晶圆/小时”存在1-2个数量级差距。
④ 封装生态系统缺失
传统光模块厂商缺乏光学制造经验，保偏光纤处理、自动化组装等环节存在技术断层。格芯客户反馈，封装生态的不完善是阻碍应用的首要因素——现有产线无法应对光纤与芯片的高精度耦合，且缺乏标准化接口。
◆ 格芯的解决方案：半导体思维重构硅光子学制造
格芯以半导体规模化制造为核心，通过六大举措破解硅光子学的经济方程：
1. 建立单片集成的标准化平台
基于成熟的45nm逻辑与射频SOI（绝缘体上硅）技术，格芯构建了硅光子学单片集成平台，将CMOS逻辑与光学元件（如锗光电探测器、微环谐振器）集成于同一晶圆。该平台同时支持“光-电”协同设计。平台包含两类核心功能：橙色框标注的CMOS相关特性（如毫米波射频性能）与蓝色框标注的光学元件（如马赫-曾德尔干涉仪、激光腔），已投入超3亿美元研发。目前已经实现全面自动化，流片全过程无需人工干预，工厂内只有设备维护人员，没有操作人员。
2. 制定清晰的技术路线图
格芯的路线图聚焦三大目标：
- 性能提升：200Gbps光收发已实现技术突破，锗光电探测器带宽达65-75GHz，调制器能耗降至1.2pJ/bit，目标2025年突破1pJ/bit；
- 波分复用：从单波长向CWDM（粗波分复用）、DWDM（密集波分复用）演进，8波长方案良率达99%（插入损耗2dB时），在波长间隔为200GHz时，也达到了98％；
- 封装创新：开发晶圆级可分离光纤耦合技术，实现±40微米对准精度内1dB损耗，解决共封装光学（CPO）的集成难题。
3. 推动量产与客户协同
2023年1月以来，格芯已完成25个客户新产品导入（NPI），月均1-2个项目。通过借鉴射频SOI领域“每日一次流片”的经验，提升设计自动化水平，目标将硅光子学流片效率提升至半导体级水准。同时，与Ayar Labs等客户合作验证DWDM方案，加速技术成熟。
4. 材料与工艺创新
为突破200Gbps以上性能，格芯引入新材料体系：
- 薄膜铌酸锂与钛酸钡：用于高速调制器，支持400Gbps演进；
- 二维材料：布局8-10年后的晶体管集成，提升光电协同性能；
- 氮化硅：优化波导设计，实现4波长信号的低损耗分离。
5. 构建全产业链生态
格芯联合封装、测试、光纤等环节合作伙伴，弥补生态缺口。例如，与测试设备厂商合作开发工业化光学测试平台，将测试效率提升10倍；联合封装厂商开发标准化光纤耦合工艺，降低集成成本。
6. 政策与资金协同
作为美国《芯片法案》工业咨询委员会成员，格芯推动将研发资金向硅光子学倾斜，同时联动欧盟、日本等地区的产业基金，聚焦封装生态与新材料研发。
7. 可靠性与成本控制体系
① 全方位可靠性测试
格芯建立了涵盖电气、光学及集成层面的全面可靠性测试体系：
- 电气可靠性测试：包括前端晶体管和后端互连的应力迁移、栅氧化层击穿等传统测试
- 光学元件测试：对每个光学元件进行初始性能验证及环境考验
- 芯片-封装-光纤集成测试：验证封装应力、湿热环境下的可靠性、折射率匹配环氧树脂性能
通过周期性可靠性监测（PRM）体系，每月对平台进行全项测试，确保性能无漂移。
② 成本优化策略
格芯的成本模型显示，需通过以下途径实现硅光子学成本优化：
- 提高晶圆产量至当前的10倍以上，实现规模效应
- 将PIC的晶圆加工成本变得跟EIC接近，从占比25%提升至75%
- 降低光纤成本及定制光纤束的自动化难度
- 提升光学测试速度，缩小与半导体测试效率的差距
- 优化共封装光学（CPO）模块的测试流程，减少生产过程中的测试次数
◆ 未来展望：从技术可能到经济可行
格芯的技术路径显示，硅光子学正从实验室走向产业化：200Gbps方案已具备量产能力，400Gbps将依赖新材料与自动化设备突破。行业需协同推动三件事：
1. 通过龙头客户拉动量产规模，实现成本下降，激活生态投资循环
2. 将硅光子学纳入全球芯片研发基金支持范围，获取政策与资金支持
3. 打通半导体与光子学生态，在ISSCC、IEDM等半导体论坛强化技术协同
随着生态完善与成本优化，硅光子学有望在数据中心互联、AI算力集群等领域实现规模化应用，真正完成从"技术可能性"到"经济可行性"的跨越，成为后摩尔时代的关键基础设施。