硅光時代：光模塊行情的底層邏輯
本文系基於公開資料撰寫，僅作爲信息交流之用，不構成任何投資建議。
這幾天鍾林老師更新一篇長文《芯片投資人開始焦慮了嗎》，可以說是字字珠璣，直擊靈魂拷問。
鍾林老師談到了國產芯片的內卷問題，現在的芯片行業正如鍾林老師所說的，現在國內芯片內卷嚴重，差不多產品就是無腦比價格，同質化競爭不是兩敗俱傷，就是滿盤皆輸。
所以我在之前1月1日那篇長文裡特意思考這個問題並提出國產芯片2.0時代即將來臨。
所謂國產芯片2.0時代我總結有兩個特徵：
第一是容易吃的肉已經吃完了，接下去是要啃高端市場那些硬骨頭，啃下硬骨頭的公司就有繼續成長的機會，如果還是在低端內卷，結果肯定是看不到一絲機會和希望，接下去要做的是更高層次的國產替代而不是低端內卷；
其次是2.0時代會有一波大整合，現在芯片初創公司不要覺得幹這行就自己特牛B，別人都是菜B，不要總想着自己單打獨鬥做大做強，適當的時機要學會整合，整合同行，整合上下游產業鏈，取長補短，攜手進步，這點更考驗公司的整合能力，執行能力，考驗創始人的企業家思維，更考驗背後投資人的利益。
這個利益無關技術，只關乎人性，皆大歡喜的結果自然是好的，但是實際上往往摻雜了太多利益方，你不肯讓步，我不肯犧牲部分利益，結局就是僵了半天全黃最後涼涼，誰都幹不好。所以做整合，做併購，是未來所有還想在這個賽道混投資機構，創業公司，上市公司們，所有人都必須要學的一門必修課，切記。
以上兩點這就是國產芯片2.0時代的精髓。
回到第一個問題，什麼是難啃的硬骨頭？有哪些方向？我可以侃侃而談很久，但是落到實處呢？經過我司團隊的頭腦風暴，我們基本確定了硅光時代是未來的大方向，所以我會在相當長一段時間內關注這個領域和賽道。
今天先拋磚引玉，結合通訊歷史，對硅光技術做一些前沿探討，如有不足之處，請各位大佬指正。
01
一場跨越大西洋的實驗，開創了通訊方式新紀元
我們的中學物理課本上學過無線電波，也知道了“無線電波之父”，意大利人馬可尼。
自打1864年麥克斯韋的《電磁學通論》從理論上證明了無線電波的存在，把人類帶入了一個電氣化的時代。半個多世紀之中，無數科學家前赴後繼展開對電與磁的奧秘的研究和探索。
其中最傑出之一馬可尼，他爲人類開創了無線電通信的發展之路，爲無線電波的應用貢獻出了自己的一生。
無線電之父，馬可尼
1895年，馬可尼利用火花放電器，感應線圈和電鍵製造了第一臺無線電發射機，隨後又把金屬檢波器加以改裝便成了天線接收器，完成了30米的通信。
他大受鼓舞，不斷改進，相繼完成了1.7千米的無線電通信，隨後他帶着對意大利郵電部長的不屑，帶着他心愛的設備來到了英國。在英國他得到了熱情的支持，相繼完成了2英里，5英里，10英里的實驗。
1897年5月，他完成了跨越布里斯托爾海峽的無線電通信，這可是相隔了45公里的距離！震驚了整個歐洲。
1899年3月，馬可尼的無線電波跨越了英吉利海峽。
1901年，馬可尼克服惡劣天氣的影響，在英國本土接收到了來自3500公里之外紐芬蘭羣島的信號，實屬不易。
這也是人類無線電信號跨越大西洋的故事來源。
於是趕着馬車的郵差成爲歷史的一頁，人類的通信不再靠“吼”，而是藉助無線電波的技術，實現全球通信。
02
互聯網的誕生
1969年，在半導體技術突飛猛進的草莽年代，美國誕生了一組專用通信網絡，阿帕網。
隨後阿帕網的技術不斷迭代和發展，在此基礎上發展出了internet，也就是因特網，這種計算機互聯網絡，把全世界的電腦都連接在一起，信息的貢獻和通信更加便捷。
在1995年4月11日，身中劇毒的朱令的同學們將她的病情翻譯成英文向全世界醫學界發了一封描述病情的郵件，懇請各位醫學專家提供診斷和治療建議。
最終在互聯網和醫學界的努力下，被確定是鉈中毒，爲挽回朱令生命做出了重要貢獻。
只可惜，儘管命是救回來了，但是鉈在身體內滯留時間過長，已經造成了不可逆的損害。帶着殘破的身體，堅強的朱令一家就這樣過了30多年。可惜不久前，去年的12月22日，剛剛過完50歲生日的朱令，這位堅強的女孩子最終離開了人世。
無數人惋惜，無數人憤怒，憤怒的是兇手至今逍遙法外，沒有受到應有的法律懲罰，希望在我有生之年，給朱令全家，給全社會一個交代。
有了互聯網，電腦要連接上網，就必須使用專用的連接線。於是在上世紀70年代，專用的網線就誕生了。
這種常見的網線，也因爲不同的時代，有不同的區別，在90年代，Cat5的網線問世，標誌着網線技術的重大突破。
這種網線採用高質量的雙絞線，通過導線的攪合密度和降低感染，使得數據傳輸的速度和質量得到了大幅提升。
緊接着，爲了應對更大的網絡應用和需求，Cat6網線誕生，它比5類線，有着更可靠的質量和更先進的設計，支持更高速度的傳輸速度和更長的傳輸距離。
這種6類線廣泛應用於企業網絡，數據中心，以及高速互聯領域。通常6類線也對應從千兆（1G）到萬兆（10G）的網絡，至今還有大量的網線採用這種標準。
03
光纖之父，高琨
2009年諾獎得主光纖通信之父，高琨
隨着通訊的數據量越來越大，有沒更好的傳輸介質？這一難題擺在了全世界通訊界的面前。
怎麼辦？有人想到了用光信號替代電信號。
早在公元前300年，歐幾里得就發現了光在空氣和水中傳播會發現折射現象，這爲後世光纖發展奠定了基礎。
1960年，美國物理學家泰勒和哈奇等人，成功製造出人類第一根能夠傳輸光信號的光導纖維，這是光纖歷史上最重要的里程碑，它採用了兩層玻璃材料，通過光的反射原理進行光信號的傳輸。
到70年代，德國科學家基爾霍芬，成功製造出第一根單模光纖，相比多模光纖，單模光纖能夠傳輸更多的光信號，大大提高了通信質量和傳輸距離。
到80年代，半導體激光器的和光電二極管的發展，讓光纖傳輸技術得到了革命性的進步，激光器的應用使得光信號能夠更遠距離地傳輸，而且它幾乎不會衰減。
這期間有位華人科學家高琨，對光纖通訊做出了重要貢獻。
1957年，高錕即從事光導纖維在通訊領域運用的研究。
1964年，他提出在電話網絡中以光代替電流，以玻璃纖維代替導線。
1965年，高錕與霍克漢姆共同得出結論，玻璃光衰減的基本限制在20dB/km以下，這是光通信的關鍵閾值。然而，在此測定時，光纖通常表現出高達1000dB/千米甚至更多的光損耗，顯然高損耗率很大程度上阻礙了光纖技術的發展，於是高琨開始尋找低損耗材料和合適纖材料來滿足長距離光纖通訊的需求。
1966年，高錕發表了一篇題爲《光頻率介質纖維表面波導》的論文，開創性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性。簡單地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃製作光學纖維，從而高效傳輸信息。這一設想提出之後，有人稱之爲匪夷所思，也有人對此大加褒揚。但在爭論中，高錕的設想逐步變成現實：利用石英玻璃製成的光纖應用越來越廣泛，全世界掀起了一場光纖通信的革命。
1969年，高錕測量了4分貝/千米的熔融二氧化硅的固有損耗，這是超透明玻璃在傳輸信號有效性的第一個證據。在他的努力推動下，1971年，世界上第一條1公里長的光纖問世，第一個光纖通訊系統也在1981年啓用。
在20世紀70年代中期，高錕對玻璃纖維疲勞強度進行了開創性的研究。在被任命爲國際電話電報公司首位執行科學家時，高錕啓動了“Terabit技術”（ “兆兆位技術” ）計劃，以解決信號處理的高頻限制，因此高錕也被稱爲“Terabit技術理念之父”。
高錕還開發了實現光纖通訊所需的輔助性子系統。他在單模纖維的構造、纖維的強度和耐久性、纖維連接器和耦合器以及擴散均衡特性等多個領域都作了大量的研究，而這些研究成果都是使信號在無放大的條件下，以每秒億兆位元傳送至距離以萬米爲單位的成功關鍵。
04
光模塊通訊
解決了傳輸介質問題，接下來就是解決光發射/接受，以及調製解調等技術問題。
這些問題只是工程學應用的問題，無非就是把這些負責具體功能的芯片造出來，然後把它們整合到一起，光模塊就做成了。
所謂光模塊（ Optical Modules ），實際上的作用是實現光電信號互相轉換的光電子器件，因爲計算機用的是以0和1爲單位的電信號進行運算，要通過光纖傳遞光信號，那麼必須要有專門的光電轉換器，這就是光模塊的基本作用和原理。
光模塊，它主要由光部分和電部分兩部分組成。光部分就是光發射器、光接收器等，而電部分就是各種功能電路，各種芯片比如驅動器，數模混合芯片，編解碼芯片，時頻信號處理芯片等不同功能的芯片。
光模塊工作原理，圖片來自網絡
然後把光芯片和電芯片整合到一起，用特定的封裝技術封裝好後就變成我們看到的光模塊。
成品光模塊
根據不同的應用場合，不同的通信技術標準，光模塊接口速率也各不相同，從125Mbit/s到41.25Mbit/s不等。
然後通過更先進的光波分複用技術，我們就做出了10G到400G不同的光模塊。
隨着不同時代，整合的技術，封裝技術也各不相同，最早的300PIN MSA光模塊是最先應用於SDH和10G以太網光纖傳輸網絡的模塊。第一個可插拔光模塊是GBIC，在千兆以太網接口轉換器，交換、路由產品廣泛使用。緊接着就相繼出現了XENPAK、XPAK/X2、SFP、XFP、SFP+等可插拔光模塊。
圖片來自網絡
然後就是QSFP、CFP、CXP、CDFP、QSFP-DD、OSP等等光模塊如雨後春筍般冒了出來，對應的速率也從10G、40G、100G、200G、400G到最新的應該是QSFP-DD，多模的，850nm波長，黑白光，400G主流，當然未來還有800G，甚至OFC2023上展示的1.6T的光模塊！
但是到800G，1.6T時代，問題也隨之而來了，這樣的封裝方式已經制約了更高光模塊速率，業內追求更高集成度，更低功耗，更強速率，於是硅光時代來臨。
05
硅光時代
傳統光模塊，實際上依然是在一塊PCB板上實現，把各個分立器件直接整合PCB板上就行了，然而PCB受到制約條件太多，800G幾乎已經是極限了，那如果想進一步呢？
於是硅光技術來了。
首先大家思考一個問題，爲什麼我們需要這麼高的傳輸速度？
答案是顯而易見的，因爲傳輸和存儲的數據，幾乎是幾何倍數的提升。
如今互聯網的帶寬已經達到了幾百Tbps的水準，這對數據中心內的後端流量提出驚人的需求，顯然單個服務器設備的處理能力是有限的，於是有人提出能不能解決處理器間通信？這樣多個芯片聯合起來，就能進一步提升計算能力，非常棒！那麼怎麼實現多芯片聯合呢？
這就是1.6T以太網的誕生初衷，就是爲了處理器間通信。
因此，處理器間通信成爲了1.6T以太網的首個應用場景。繼這一代應用之後，預計數據中心將推出交換機間的直連技術，實現高性能處理器和內存資源的集中利用，大幅提升雲計算的擴展性和運行效率。
灑家曾經在DPU網絡芯片那篇文章裡也講過這個應用場景，網絡芯片哪家強？專業科普：原來這個領域要比你想的更復雜！
我推斷未來存算分離之後，處理器間通信比如CPU和DPU之間，可以用一條高速通信的總線+高速光模塊把兩個不同的功能的服務器連接到一起打破系統瓶頸，進一步提升系統性能。
這就是典型的1.6T超高速以太網的應用場景。
1.6T的超高速以太網非常的複雜，涉及專業的網絡通信知識，包括控制單元下的MAC、PCS、PMA，AUI附件接口單元PHY下面的PMA，PMD等等。
MAC也就是介質控制訪問器，它負責以太網成幀功能，包括查看源地址和目標地址、管理幀的長度、在必要時添加填充，添加/檢查幀校驗序列( FCS )，以確保幀的完整性。
MAC又分兩大類，包括網絡接口卡（ NIC ），交換/橋接MAC。
對於較低的以太網速率，物理編碼子層( PCS )只需對數據流進行編碼，即可開始檢測數據包，並確保信號平衡，然而，隨着以太網速度的提高，PCS的複雜性也在增加。如今，由於每個物理鏈路上都有高速信號，因此有必要使用前向糾錯（ FEC ）來克服固有的信號衰減。
換言之，整個以太網延遲是整個系統的延遲，它包括髮送隊列、信息處理時間、傳輸持續時間、介質穿越時間、信息接收時間、結束處理時間和接收隊列中的時間。
除了本身數據源匹配，糾錯，等數據處理所花的時間之外顯然就是中繼站，包括交換機，光模塊轉換間的各種延遲。
所以谷歌整了一個OCS光交換機，光模塊上整出800G，1.6T的超高速光模塊，畢竟遇到瓶頸纔有新的需求！
傳統的交換機上，從接收到光信號轉換成電信號處理之後再變成光信號轉發出去，要多達7,8次光電轉換，這都帶來了巨大的功耗開銷以及性能損失。
於是谷歌直接用光纖準直器陣列（ fiber collimator array ），光纖直準器陣列內部包含多個光纖陣列和微透鏡陣列，來實現光信號的輸出輸出。而用的實現光開光和轉換就是用多個MEMS陣列芯片，而MEMS芯片的加工製造，就是賽微電子的瑞典工廠，它就是乾的這個活，畢竟瑞典廠號稱“MEMS領域的臺積電”。
谷歌的OCS光交換機號稱能實現136個光路之間的任意切換，還能雙向傳播，比傳統交換機不知道提高了多少倍性能。現在這項技術已經部署到谷歌最新的TPU v4的集羣中，效果拔羣！
光交換的部分講完了，最後講本文重點硅光。
所謂硅光，如果簡單理解可以理解成把前面所提到的光模塊上的獨立的光芯片，電芯片全部集成到一起，用硅的CMOS技術把它們在同一塊晶圓上做出來。
集成之後，這東西就叫EPIC，光電子集成電路，E就是electronic，P就是photonics，IC就是集成電路，所以EPIC就是用集成電路的IC製造技術，把光和電整合到一起，因爲是用硅集成電路工藝整出來的，所以叫硅光！
實際上光電子集成電路技術並不是最近纔有，很多年前，上世紀90年代就有使用摻雜石英，鈮酸鋰或磷化銦等材料作爲材料表面，在電信和長途數據通信上已經有所應用。
但是衆所周知，集成電路使用的基礎材料是硅，因爲硅工藝非常成熟，而且有較低的成本和更大的產能，也就是說在硅工藝上，能實現器件小型化和低成本，是非常適合商業化的技術。
總結起來硅基版本的光電子集成電路技術優勢有4條：
1、光信號在傳輸過程中衰減小且傳輸帶寬高，可得到超快速率和高抗干擾特性傳輸信號；
2、利用已有的微電子技術在大規模 CMOS 集成、低能耗、低成本等方面的優勢；
3、在硅芯片上集成光傳輸通道的工藝難度相對較低；
4、以硅材料爲襯底，實現硅光，電，其他材料（ 如3-5族化合物 ）等的 CMOS 集成；
從現有的EIC電部分芯片，實際就是用硅材料做的，比如驅動器，編解碼，CDR，DSP，只是現在是分立，無非就是怎麼做出一個SoC芯片，這個非常考驗設計功底和製造能力。
剩下的就是光分立器件部分。
傳統的光通信模塊主要是由3-5族半導體芯片、高速電路芯片、無源光組件及光纖封裝而成。但隨着晶體管尺寸不斷變小，電互連面臨諸多侷限，業界發現摩爾定律不再適用，50Gbps已經接近傳統銅電路極限。數據中心內部及芯片層面的“光進銅退”成爲必然。硅光，即採用激光束代替電子信號傳輸數據，將光學器件與電子元件整合在一個獨立的微芯片中，在硅片上用光取代銅線作爲信息傳導介質，以提升芯片與芯片間的連接速度。
所以怎麼才能把這EPIC在硅晶圓上集成呢？
衆所周知，硅材料在光上面非常弱的，硅材料本身是間接能隙材料，很難產生光源，因此過去的光模塊的發射和接受普遍使用磷化銦或者是砷化鎵材料製造，用它們來做光分立器件。
現在是準備把3-5族化合物材料和硅材料做異質集成，將幾種材料放一起，既能實現3-5族材料的有源功能，又能利用硅集成電路工藝優勢。
英特爾的 Silicon Photonics 100G PSM4 QFSP28 Transceiver report
早在2018年，OFC上亨通洛克利展出的一款硅光芯片：激光外置，在交換芯片上集成了光收發的功能，相當於把光模塊與交換機芯片的距離無限拉近在一起。
圖片源自OFC 2018 亨通洛克利
前景是美好的，但是工藝和設計上依然面臨一大堆挑戰，如何讓光和電在硅晶圓上做到最大程度的兼容？這是整個產業鏈生態的問題。
目前業界想到的辦法是在SOI硅上做。
所謂SOI硅，專業詞叫絕緣襯底硅，實際上是一種特殊結構的硅片，它更像一個三明治夾心結構，在硅中間有一層二氧化硅。
現在使用BiCMOS工藝，已經能把調製解調，光波導，光探測，電容，電阻以及絕大多數的電芯片集成到一起了。
只剩光發射，業內也想到了用Local SOI工藝，把光電二極管，耦合器之類的集成到一起。
所以未來的硅光電子集成方案基本成形。
在一塊SOI硅上，左邊是Local SOI上集成光芯片，右邊是BICMOS工藝集成雙極型晶體管，NMOS，PMOS，等各種電芯片的晶體管。
於是在一塊小小的SOI硅上，實現了800G，1.6T超高速率的光模塊功能。
再展開題外話，現在硅光僅僅用於光通信，並不是硅光技術的極限，英特爾在多年前就已經想到了用硅光技術替代一部分芯片上的銅互聯，和光通信上的“光進銅退”，如出一轍，只是不知道這項技術什麼時候能商業化落地，讓我們拭目以待。 （ 作者：陳啓 啓哥有何妙計 ）