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台积电押注新兴半导体技术-硅光子

尽管今年全球半导体产业受到高利率、通胀等不利因素影响表现疲弱,但业界巨头台积电(2330)仍在新兴半导体领域“硅光子芯片”大力布局,瞄准明年的商机。据报道,台积电不但积极推动硅光子技术发展,更与博通(Broadcom)、惠普(Nvidia)等大客户洽谈,合作开发应用硅光子技术的新产品。双方计划生产新一代硅光子芯片,涵盖7nm至45nm制程,预计2024年下半年就可获得首批订单。

根据台积电副总经理余振华表示,良好的硅光子集成系统不但可解决AI的能源效率与计算力这两大难题,更将推动半导体发展迈入崭新的阶段。他认为,要运行大型语言模型和其他AI计算,必须具备强大的计算能力,而更先进、更集成的硅光子系统正是关键驱动力。

那么,硅光子技术的优势在哪里呢?我们知道,集成电路将数十亿个晶体管微缩在芯片上,进行运算。而硅光子技术,是在硅芯片中将“电信号”转换为“光信号”,实现电与光信号的传输。

相较于传统使用铜导线的电子传输,光子传输的优势有二:

  1. 光速快。光速是目前已知宇宙中传播速度最快的物理常数。利用光子在介质中的传输,信息传输速度可大幅提升,远超过电子的速度。
  2. 光子传输可避免电子传输中,随着线路加长而导致的信号衰减与噪音干扰。光子在光纤或波导传播可保持信号质量。

此外,相较于铜线,光子传输也可降低传输的能量消耗与产生的热量。这对计算机数据中心的散热有积极意义。

由此可见,利用硅光子技术,可大幅提高计算与传输速度,并降低能耗,解决目前计算机发展中的瓶颈,因此被视为新一代半导体的重要技术方向。

事实上,硅光子技术已成为半导体产业的一个热点。英特尔、思科、IBM等公司都在硅光子领域展开布局。2021年,惠普以69亿美元收购Mellanox,就是看好其光纤网络技术在数据中心等领域的应用前景。

目前,硅光子技术在数据中心光通信等场景已初步商用。随着800G乃至更高速的传输需求出现,功率和散热问题将日益严峻。预计硅光子技术在解决这一问题上,将发挥更大作用。

业内分析,硅光子确实是未来发展的必然趋势,其在数据中心、超级计算、自动驾驶、国防等系统中的应用前景广阔。但要实现商业化,仍有技术障碍需要攻关。具体而言:

  1. 工艺平台还不够成熟。要落实大规模商用,必须进一步提升制程的稳定性与一致性。
  2. 纳米级别的光子器件仍有很大改进空间,光子模块的集成密度有待提高。
  3. 系统层面的光电子集成设计亦需持续优化。

综上所述,硅光子技术将推动半导体产业的新一轮变革与升级。台积电押注这项新兴技术,有利其维持在先进制程的领导地位。下一步,研发生态的持续完善将是实现硅光子技术商业化的关键。期待未来几年,在产业链各方共同努力下,能看到硅光子芯片的量产与应用不断扩大,进而驱动半导体产业及信息技术的发展。

光子捕捉硅 MSM 光电检测器的示意图。通过专为光子捕获而设计的的圆柱孔阵列,使入射光经弯曲而产生横向传播,显著提高了硅的光子吸收。

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