ST挺进硅光代工赛道

作为一家全球领先的芯片企业，意法半导体（以下简称ST）最让人广为熟知的就是他们的STM32 MCU、MEMS传感器以及SiC等功率器件。但其实除此以外，他们还有广泛的产品线，例如本文谈到的“硅光+BiCMOS”代工服务，就是意法半导体征战芯片市场的又一杀手锏。
 
众所周知，人工智能在过去几年发展迅猛，尤其是在ChatGPT面世以来，以AGI为代表的AI浪潮席卷全球，这不仅带来了庞大的计算芯片需求，如何更快、更节能地传输数据，也成为了行业关注的重点，意法半导体所推出的这个代工服务正是为了解决后面的问题而生的。
 
云光互连，大有可为
 
在当前的数据中心中，互联成为了公认的瓶颈之一，这是毫无异议的。
 
还是以AI为例，作为一个注重体验的应用，AI 工作负载喜欢带宽，讨厌延迟。具体到数据中心内，大部分挑战都与数据包丢失或连接停滞有关，这导致数据重新传输时计算处于闲置状态。知名GPU大厂曾表示，平均有 30% 的训练时间用于等待网络赶上。
 
ST射频与光通信子产品部副总裁Vincent FRAISSE在与半导体行业观察等沟通的时候也指出，世界各地的云服务厂商所面临的挑战是需要不断的优化每个计算单位所消耗的能量以及每个比特传输所消耗的能量。
 
为了克服这些限制，人们开发了许多技术，光纤通信就是其中最广泛使用的一种。在实际应用中，每根光纤的两端都有一个光电收发器，其基本功能是将调制在光上的信号转换为通过传统导线传输的电信号。这些收发器大部分情况下都是可插拔的，可以插入交换机或者是服务器，从而构建一个灵活的互联网络。
 
当中，光收发器主要由三个重要的半导体元件构成,分别是用于控制收发器操作的MCU 微控制器、用于驱动光源的电子集成电路（EIC）的元件，以及负责实现光信号到电信号的实际转换的光子集成电路（PIC）。
 
为了满足不同场景的需求，市场上出现了多种封装类型、多个速度和不同形态的光收发器。
 
ST Vincent FRAISSE以可插拔收发器举例说，这种类型的收发器往往会通过调制器设备将电信号转化成为光信号，并且可以通过光电二极管将光信号转化成为电信号。具体到内部构造，则包括一个用于产生载波光的光源（也就是我们传统意义上所提到的激光器），还包括一个前面讨论过的 PIC 和 EIC 组成的光引擎，以及一个用于控制的 MCU。有时，该收发器还包含一个用于处理器（xPU）的电信号进行均衡处理的 DSP。
 

 
在上述的光收发器推动下，数据中心互联高速发展。而随着数据中心的扩张，也大大增加了以光收发器的需求。根据LightCounting的最新报告，光通信芯片组市场预计将在2025至2030年间以17%的年复合增长率（CAGR）增长，总销售额将从2024年的约35亿美元增至2030年的超110亿美元。
 
与此同时，下游用户也倒逼光收发器将速度从当前的800Gbps速率继续往上提升。ST认为，到未来的每秒 3.2 Tbps。当然，能耗也是不可忽视的一部分。于是，为了推动收发器升级，行业参与者正在从各个维度提出解决办法，硅光技术正在一个广为关注的技术趋势。
 
据了解，无论是可插拔式光模块还是共封装光学（CPO）光模块等收发器正将光子集成电路（PIC）转向一种硅光子学（也简称为SiPho）的技术，该技术的一大优势就是在性能提升的同时，也可以将其转化成为能效优势。
 
为了应对连接密集度日益提高和功耗不断增长的挑战，目前行业还出现了一股非常明显
的趋势，也就是用光学连接的方式来取代传统的机架铜揽，并且能够使连接做得更加紧密，
更加密集，这样能就更好地适合目前 GPU 的实际物理尺寸，能够做得更加紧凑。这也就是共封装光学的一个重要应用场景。而这些光到光（OIO）互联需要密集型调制器来实现紧凑的结构，需要定制化的电子集成电路（EIC）解决方案以提升性能并进行优化，还需要硅通孔（TSV）技术来限制损耗，并通过 3D 封装技术提高集成密度。
 
凭借自身丰富的IP和技术积累，意法半导体为行业提供支持。
 
硅光领衔，ST全面助攻
 
在意法半导体面向云光互连市场提供的服务中，硅光无疑是公司最具代表性的产品之一。
 
Vincent FRAISSE也透露，早在十年前，意法半导体就开始探索硅光技术市场，但是，由于当时市场尚未成熟，并不适合量产。但现在时机已到，于是意法半导体便顺势而为，推出了公司全新的硅光技术平台——PIC100。Vincent FRAISSE接着说，无论是可插拔式光模块还是共封装光学（CPO）光模块等收发器，都正在将光子集成电路（PIC）转向一种被称为硅光子学（也简称为SiPho）的技术，这也正是意法半导体PIC100所擅长的。


 
据介绍，PIC100是目前市场上唯一的能够支持 300 毫米晶圆的单通道 200Gbps 的纯硅技术平台，具有紧凑的结构、广泛的工作范围以及卓越的性能，而这些性能水平是目前仅有的集成硅技术所无法达到的。
 
所谓紧凑性，按照Vincent FRAISSE所说，是指PIC100能够将接收器和收发器集成到单个集成电路中。例如，对于收发器的调制器以及接收器的光电二极管也都能集成在一起。如果你在光纤上利用多个波长来传输数据，那么像复用器（MUX）和解复用器（DMUX）也能集成其中。
 
此外，PIC100 还采用了全新的材料堆叠，实现光纤与 PIC 的高效边沿耦合，取代了传统的垂直耦合技术，这减少了系统损耗，而系统损耗一直是困扰所有传输技术开发者的难题。
 
Vincent FRAISSE告诉半导体行业观察，与市场上现有的 VCSEL 和 EML 技术相比，硅光技术有一些非常明显的技术优点：首先，它易于集成，对于可插拔光模块和 CPO 有很好的适用性；其次，传输距离灵活多变，损耗更低，能效更高。其性能能够支持每个通道高达 200 Gbps 的数据传输速率，而如今的垂直腔面发射激光器（VCSEL）在所有条件下都无法做到这一点；再者，意法半导体还有较强的制造能力，能够充分利用目前 300 毫米的晶圆厂的成熟的制造优势。
 
PIC100 计划将会在 2025 下半年开始量产，就像在上一篇幻灯片当中所提到的，硅光技术将会是一个非常重要的光 IC 发展路径。
 
Vincent FRAISSE直言，在未来几年里，硅光子学（SiPho）将在收发器市场中占据最大份额，甚至有可能会挤占用于GPU的短距离铜缆连接的市场份额。
 
 
除了能提供全新专有硅光子技术将使客户能够将多个复杂组件集成到单个收发器芯片中，意法半导体还提供了下一代专有 BiCMOS 技术，助力于实现超高速和低功耗光学连接。在意法半导体看来，这是维持 AI 增长的关键。
 
Vincent FRAISSE直言，意法半导体拥有市场中最好的 BiCMOS 工艺，为客户提供了超过十年的BiCMOS 技术服务经验。基于这些领先的BiCMOS 技术，意法能提供最好的技术来构建 EIC 产品。
 
“在BiCMOS 工艺方面，意法半导体不但拥有前所未有的低噪声性能以及包括线性度，还能够实现更高的每比特传输速率和吞吐量，进一步的提升性能的表现水平。”Vincent FRAISSE说。
 
针对市场的需求，意法半导体带来了BiCMOS 家族迎来了新成员——B55 系列。在该系列中，最为先进的就是B55 X。
 


据介绍，该技术具备市场上最佳的工作频率（Fmax）、特征频率（FT）以及更低的噪声性能。对于每通道200Gbps以及包括下一通道400Gbps，它都是非常理想的技术。其出色的线性度对于线性可插拔光模块（LPO）而言堪称理想之选，这种线性可插拔光模块适用于低功耗且低成本的光收发器。
 
Vincent FRAISSE解析说，与传统的基于 DSP 的解决方案相比，LPO 的整体功耗和延迟都更低。对于大型的云服务厂商来说，这是一个极大的系统级优势。“如今，我们可以看到产品的设计，以及包括研发和客户的合作正在不断的加速。目前约有 20 家大客户已经在 使用我们的 BiCMOS 技术来设计 EIC。”Vincent FRAISSE透露。
 
“意法半导体的硅光技术和 BiCMOS 技术可以结合，用于服务光学市场，这是一个非常独特的光解决方案。”Vincent FRAISSE总结说。他同时重申，这两种技术都是 ST 在位于法国 300 毫米的晶圆厂来进行生产。此外，意法半导体还提供了芯片设计、封装服务以及光电和硅光等测试服务，能帮助硅光技术进一步提升演进，将硅光和 CMOS 的技术以同样的服务水平为客户带来更多的价值。
 

 
写在最后
 
在介绍这些领先解决方案的同时，意法半导体透露，公司已经与AWS建立了合作关系。AWS 副总裁 Nafea Bshara 在 ST 的公告中也补充道：“AWS 很高兴与意法半导体合作开发一种新的硅光子技术 PIC100，该技术将实现包括 AI 在内的任何工作负载之间的互连。”
 
除了这类超大云服务商以外，意法半导体还与收发器的相关的研究机构和团队、来自于全球的其他的一些独立的玩家等合作伙伴建立了联系，公司的宗旨就是希望能够通过硅光技术以及 BiCMOS 技术以更好地赋能客户。
 
Vincent FRAISSE也补充说，未来的硅光学主要使用是在机架后端实现GPU 之间的互联，所以它的紧凑性是非常重要的。因此，就意法半导体而言，目前在做的主要事情是将紧凑型的调制器能够引入到 PIC100 的平台当中。这种紧凑的调制器就类似于我们看到的传统环形调制器或者是电吸收调制器。
 
“更重要的一点是，它们必须紧凑，因为只有紧凑才能够匹配不同的 GPU 封装物理尺寸。通过这种方式我们就能够让光纤非常接近 GPU 封装。而借助TSV，我们就可以将 BiCMOS 封装到硅光器件的顶部，这是目前我们正在努力开发的一个新的工艺，也会引入到 PIC100 的产品家族当中。”Vincent FRAISSE强调。
 
意法半导体在官方博客中透露，展望未来，公司将致力于创建支持 400Gbps/通道的 PIC，这些 PIC 将与现代数据中心一起扩展。随着人工智能在不断增加的信息库上进行训练，而 GPU 的大规模并行性需要持续且巨大的数据流，确保创建更快、更高效的收发器变得至关重要。当然，和之前的所有产品一样，意法半导体将通过生态系统的方式进一步赋能云光互连。
 
一个属于“光”的时代正在缓缓拉开大幕，意法半导体，蓄势待发！