硅光子技术研究报告：后摩尔时代的光通信革命

2025年11月25日 硅光子技術：後摩爾時代的光通信革命 作者： 艾德證券期貨研究部聯絡電話：(00852)38966300電郵：research@eddid.com.hk 核心觀點及邏輯： 硅光子技術是指通過成熟的硅基工藝將光子器件與電子元件集成在同一晶片上，利用光信號替代傳統銅導線進行數據傳輸，是一種顛覆性的光通信解決方案。 光電協同封裝(CPO)作為硅光子技術系統級集成的關鍵方向，徹底改變了傳統光模組的形態。CPO技術將光引擎與計算或交換晶片通過3D堆疊等先進封裝技術緊密集成，大幅縮短了電互連距離，顯著降低了30%-50%的功耗並提升了信號完整性。 在數據中心與AI計算領域，硅光子技術正成為突破帶寬瓶頸的關鍵使能技術。硅光子技術在光通信領域的應用已從數據中心內部互連擴展至電信網絡、5G前傳/回傳等更廣泛的場景。在光傳感領域，硅光子技術同樣展現出巨大潛力。基於調頻連續波(FMCW)鐳射雷達結合光學相控陣(OPA)技術，利用相干檢測原理實現了高精度、抗干擾的固態掃描和測距測速功能。 數據來源： 硅光子技術產業鏈已形成多元化競爭格局，涵蓋晶圓代工、晶片設計、系統集成和設備製造等多個環節。在系統與晶片層面，NVIDIA、英特爾、博通、AMD和Ayar Labs等公司競相推出基於硅光子技術的產品和解決方案。 根據FortuneBusinessInsights的報告，全球硅光子市場的市場規模在2024年價值26.9億美元，預計到2025年的32.7億美元到2032年的158.3億美元，在預測期間的複合年增長率為25.3％。 展望未來，硅光子技術不僅將重塑數據中心和通信網絡的基礎架構，更有可能引領資訊技術範式從"電為主"向"光電融合"的歷史性跨越。隨著技術成熟度提高和成本下降，硅光子技術有望在2030年前後在數據中心光模組市場佔據50%份額，為構建真正高效、智能、可持續的數字社會奠定堅實基礎。 內容目錄 1.核心組件與封裝技術獲得突破.....................................................................................................12.應用場景與產業生態分析.............................................................................................................22.1數據中心與AI計算............................................................................................................22.2光通信與光傳感..................................................................................................................32.3產業生態與競爭格局..........................................................................................................33.市場規模預測.................................................................................................................................44.挑戰與未來趨勢.............................................................................................................................54.1技術挑戰與瓶頸...................................................................................................................54.2未來發展方向與前景..........................................................................................................55.相關的上市公司.............................................................................................................................66.總結與展望......................................................................................................................................7分析員聲明.........................................................................................................................................9 圖表目錄 表1硅光子核心組件性能參數..................................................2表2硅光子技術主要企業與機構佈局............................................4表3硅光子技術相關的上市公司................................................7 圖1硅光子技術的下游應用領域................................................3 摩爾定律是英特爾創始人之一戈登·摩爾的經驗之談，其核心內容為：積體電路上可以容納的電晶體數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。摩爾定律是內行人摩爾的經驗之談，但並非自然科學定律，它一定程度揭示了資訊技術進步的速度。 然而，大約在2010年代中期後，摩爾定律開始“失效”或“放緩”，逐漸步入“後摩爾時代”。這並不是說技術進步停止了，而是指“單純依靠縮小電晶體尺寸來提升性能”的經典模式已經難以為繼。 主要原因有：1）物理極限：電晶體已經縮小到幾納米的尺度，逼近原子級別。在這個尺度上，會出現量子隧穿效應，導致晶片漏電、發熱嚴重，無法穩定工作；2）經濟極限：建造一座先進制程的晶片工廠成本高達數百億美元，但晶片性能的提升卻越來越不明顯；3）功耗牆：電晶體密度過高，單位面積產生的熱量巨大，散熱成了幾乎無法解決的問題，形成了“功耗牆”，限制了性能的進一步提升；4）記憶體牆：CPU的處理速度越來越快，但從記憶體中讀取數據的速度卻跟不上，強大的算力被閒置。 因此，半導體產業不再單一依賴制程進步，而是通過系統架構、集成技術、新材料和新原理等多維度創新，來持續提升計算性能和能效的新階段。而硅光子技術正是“後摩爾時代”一條極其關鍵的路徑，它完美地回應了後摩爾時代的挑戰。 硅光子技術是指通過成熟的硅基工藝將光子器件與電子元件集成在同一晶片上，利用光信號替代傳統銅導線進行數據傳輸，是一種顛覆性的光通信解決方案。這項技術成功結合了光子的高帶寬、低延遲特性與硅基技術的成熟工藝、低成本優勢，成為突破後摩爾時代晶片互連帶寬限制的關鍵路徑。近年來，隨著AI算力需求激增，硅光子技術已從實驗室研究快速走向商業化應用，正深刻重塑數據中心、人工智慧計算和高速通信等領域的技術格局。 1.核心組件與封裝技術獲得突破 硅光子技術的物理基礎是絕緣體上硅晶片，通過標準CMOS相容工藝（一種成熟且低成本的主流製造工藝）在硅基襯底上製造各類光子器件，其核心技術體系包括混合硅雷射器、光波導、高速調製器、光電探測器和波分複用組件等。光波導利用高折射率差結構將光限制在微納米級通道內傳輸，取代傳統銅互連；電光調製器通過載流子色散效應將電信號轉換為光信號；光電探測器則通過鍺硅材料實現光信號到電信號的高效轉換。 在核心組件方面，高速光調製器的性能已實現顯著突破。採用慢波電極、時間-頻率均衡等創新設計，調製器的電光帶寬已被推升至110GHz以上，全面支撐單波200 Gbit/s乃至更高級別的調製格式。同時，光電探測器通過光場分佈優化和側壁摻雜等結構改進，在保持高回應度的同時實現了超過260 GHz的帶寬，為高速接收奠定了堅實基礎。這些技術進步使得硅光子調製器能夠支持淨300Gbps/λ的IM/DD傳輸和淨1 Tbps/λ的相干傳輸。 光電協同封裝(CPO)作為硅光子技術系統級集成的關鍵方向，徹底改變了傳統光模組的形態。CPO技術將光引擎與計算或交換晶片通過3D堆疊等先進封裝技術緊密集成，大幅縮短了電互連距離，顯著降低了30%-50%的功耗並提升了信號完整性。例如：NVIDIA通過將硅光技術直接與NVIDIA Quantum和NVIDIA Spectrum交換機IC集成，實現了革命性的性能提升，與傳統的可插拔光模組相比，這種創新的硅光一體封裝技術實現了3.5倍的能耗降低、延遲的降低以及顯著的網路可靠性提升。 台積電的緊湊型通用光子引擎(COUPE)技術代表了CPO領域的最新進展，採用自家SoIC晶片堆疊技術，將電子與光子IC整合，實現低耗能與低延遲，預計該技術使數據傳帙功耗降低逾10倍，延遲改善20倍。COUPE技術利用3D晶圓上晶片堆疊(CoW)及晶片堆疊封裝技術將電子積體電路(EIC)與硅光積體電路(PIC)集成在一起，計劃於2025年完成驗證，2026年整合至CoWoS封裝。 2.應用場景與產業生態分析 2.1數據中心與AI計算 在數據中心與AI計算領域，硅光子技術正成為突破帶寬瓶頸的關鍵使能技術。隨著AI訓練集群的網路側早已跨過800G，走向1.6T與更高密度的背板/機櫃互連，無論是交換器ASIC還是GPU直連，都面臨功耗牆與走線損耗的雙重壓力。NVIDIA推出的全球領先的硅光交換機系統，採用先進的200GSerDes技術，通過將光器件直接集成到交換機IC封裝中，消除了傳統系統中必需的DSP器件，將信號路徑從英寸級縮短到毫米級，大幅降低了延遲和功耗。 硅光子技術在AI計算集群中的另一重要應用是實現GPU間高速互連。英偉達GB300晶片組通過光子引擎實現GPU集群間800Gbps互連，解決了傳統銅互連在高速信號傳輸時的帶寬限制和能耗問題。對於下一代Rubin平台，NVIDIA計劃大量導入硅光子技術，採用CoWoS與SoIC等2.5D/3D封裝，並引入硅光子與可能的CPO協同，進一步降低電互連瓶頸與功耗。這些技術進步對於支持下一代萬億參數級AI模型的訓練和推理至關重要。 AI數據中心對硅光子技術的青睞主要源於其系統性優勢：與傳統可插拔光模組相比，硅光一體化封裝可實現3.5倍的能耗降低，通過簡化設計減少組件數量，可以減少故障點和提高系統可靠性。此外，該設計將最容易發生故障的組件(即雷射器)放置於交換機前面板的OSFP模組內，便於外部鐳射源插拔，如果發生故障，可以快速診斷和輕鬆更換，大大簡化了數據中心運營和維護流程。 2.2光通信與光傳感 硅光子技術在光通信領域的應用已從數據中心內部互連擴展至電信網絡、5G前傳/回傳等更廣泛的場景。在短距離數據中心互連(DCI)方面，硅光子技術正支持200G/通道及更高速率的強度調製/直