纵观芯片发展的历史，总是离不开一个人们耳熟能详的概念——“摩尔定律“。即：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。但是随着芯片制程的不断进步，单个元器件越来越小，逐渐逼近物理极限，摩尔定律似乎不太好用了，芯片内部的互连线所引起的各种微观效应成为影响芯片性能的重要因素，而芯片互连是目前的技术瓶颈之一，就好比我们的公路，当道路的宽度逐渐逼近上面行驶的汽车，就会越来越难以在上面行驶。当芯片越做越小时，互联线也需要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的各种量子效应也会越来越影响电路的性能。
01什么是硅光子芯片
那么，到底什么是硅光子芯片呢？顾名思义，硅光子芯片就是利用硅光技术实现的一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备。被业界认为是延续摩尔定律发展的技术之一。常见的互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管等，而这些材质的互连线无疑都会遇到物理极限，而光互连则不然。硅光子技术采用的基础材料是玻璃。由于光对于玻璃来说是透明的，不会发生干扰现象，因此理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号，很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。在光互连中，最大的优势就是其超高速的传输速度，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。但是，作为下一代的半导体技术，其技术本身的起步已很早就开始了。早在上世纪九十年代，就提出了有关的一些概念，是为了在芯片发展到物理极限后取而代之，以延续摩尔定律。21世纪初开始，以Intel和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。
目前来看，硅光芯片主要有三大优势：集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异。
首先，对于硅光芯片来说，其衬底依旧是目前最成熟的硅，但是芯片间的互连采用更加紧凑的光来完成，与传统方案相比，硅光子技术具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度；
其次，硅光子芯片的基础材料不需要传统先进芯片的GaAs/InP衬底，只需要硅基材料即可，一旦大规模生产，芯片成本将会得以大幅降低；
最后，硅的禁带宽度为1.12eV，对应的光波长为1.1μm。因此，硅对于1.1-1.6μm的通信波段（典型波长1.31μm/1.55μm）是透明的，具有优异的波导传输特性。此外，硅的折射率高达3.42，与二氧化硅可形成较大的折射率差，确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。
还有一点很值得注意，就是对于我国目前的半导体产业来说，硅光子芯片有它独有的优势——可以避开先进光刻机的掣肘。虽然它在制作流程和复杂程度上同传统芯片相似，但是它对于制程工艺的先进程度要求不高，不像传统芯片那样制程和能效的关联性巨大，一般百纳米级的工艺水平就能满足硅光子芯片的要求，这对于我国来说，120纳米左右的芯片是完全可以自主生产的，这样就可以绕开先进制程工艺的限制，在未来实现换道超车。
02硅光芯片设计上的“拦路虎”
（一）缺少设计和制造工具
目前，硅光子的设计方法和设计工具，多效仿或来自于微电子领域的电子设计自动化（EDA）。EDA 对系统功能的实现多通过已验证元件的组合，这些元件一般包含于工艺厂提供的工艺设计包（PDK）。目前在一些硅光子多项目晶圆（MPW）流片中，工艺厂已经开始提供PDK用于硅光子领域的设计，但是功能仍十分有限。另一方面，硅光子设计有其独特的需求，EDA 工具无法满足其自动化设计需求，亟需针对硅光子设计的硅光子设计自动化（PDA）工具。
另一大挑战是设计工具非标准化。设计与制造分离，缺乏标准的设计与仿真工具，以及设计套件（PDK）。设计光电芯片与电芯片有很大的不同。光学中的交叉电路并不违规，不会像电气设计那样造成短路。此外，大多数光电学芯片都是在130nm-90nm下开发的，其成本更低，更容易使用。但大的问题是缺乏适宜的工具。
由于硅光集成仍在发展探索阶段，代工厂拥有各自的PDK，器件参数各不相同。工程师设计原理图的同时，也要考虑底层元器件的性能参数。除了使用代工厂提供的PDK外，客户也根据代工厂的设计文件，进行器件的独立设计。
（二）光子链路的仿真
在整个硅光子设计流程中，光子链路仿真也是令人头疼的问题。相比成熟的微电子仿真设计，光电子仿真设计的计算量大，标准化器件少，从而导致自动化程度较低。而光电子集成芯片在大容量光通信、光计算、光成像、光传感等领域的发展对光电融合仿真设计提出了更高的要求。
光电子集成芯片设计流程以器件设计为基础，自底而上。
1. 利用TCAD 工具进行材料工艺仿真，得到材料的光电特性等基础参数，形成相应的材料库；
2. 进行无源以及有源器件的仿真设计。其中无源器件通常采用FDTD、EME、BPM 等仿真算法。有源仿真则通过求解薛定谔方程、载流子输运方程、泊松方程等获得器件的电学性能和光学性能。
3. 之后进一步形成器件库与器件紧凑模型，并基于紧凑模型进行链路仿真，然后进行版图设计、寄生提取及后仿验证。
光电全链条仿真工具（来源：光电子集成芯片研究报告）
仿真方法一般是利用散射矩阵的形式来描述链路中光子器件及其之间的连接，但是由于光子器件本身的结构复杂性，很难使用单一的散射矩阵来描述其属性。另一方面，现在的工艺已经可以实现单片数以千计的无源有源器件混合集成，相互之间带来的寄生效应更难以用单一矩阵形式描述，更不用说光电集成时的所面临的光电混合仿真。
要实现准确的光子链路仿真，其根本在于构建精确的基础光子器件的行为模型，这同样带来了设计上的另一个挑战——光子链路仿真的不确定性。
通常我们通过集中于光子器件的物理仿真，以构建用于光子链路的器件模型，但是受制于光子器件模型的复杂性，以及其功能特性对模型结构精确度的敏感性，很难从物理模型中提取器件的行为模型，这也导致了光子链路仿真的不确定性，使得设计流程经常需要在链路仿真与器件优化之间做更多次的设计迭代。此外，大多数的硅基光电子器件均是波长依赖型，且受到温度等其他物理特性的影响，一旦环境改变，还需要再次进行仿真和优化。
（三）布图设计-波导器件异常敏感
硅光子链路与器件设计完成后需要生成掩模版图，用于提交给工艺厂进行制备。布图的生成一般仍独立于链路设计，而且多沿用EDA 中使用的工具。与电路布图多是横平竖直的矩形结构不同，硅光子链路及器件的结构需要考虑导波的需求，考虑波导器件性能对结构尺寸的敏感性，实际制备时需要非常精准的套刻工艺。
另一个难点是布局与布线。对硅光子器件来讲，要面临比电子器件布局中更多的限制。器件的连接则要考虑器件端口结构与连接波导类型、角度的匹配，对于相位敏感的链路结构，还需要精确控制不同链路中的连接波导长度。在送交布图到工艺厂加工之前，验证工作也是必不可少的。目前用于硅光子的验证工具多直接来源于EDA 工具的定制，仅能实现设计规则检查（DRC）。由于光电器件之间的诸多差异，DRC 的实现也是十分有限的。
03硅光市场“大变天”，竞争白热化
对于硅光子，大多数玩家看中的并不是它的性能，而是硅的原料丰富性、可规模制作性、稳定的化学性质、以及灵活的可掺杂性等各种性质优势；但利用庞大半导体生态系统并不是没有缺点，由于这个产业的专业细分化和各层次的高度成熟性，使得在未形成有效的Fabless-Foundry 模式前，进入门槛和初始投入非常大。无论对于初创公司还是大公司的部门，都需要准备大量的研发资源并仔细考虑其应用场景。
那么，硅光芯片能否突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”？
仍存需要突破的技术瓶颈
“硅光子技术的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易。”北京邮电大学教授、博士生导师李培刚告诉科技日报记者，早在上世纪90年代，IT从业者就开始为传统半导体芯片产业寻找继任者，光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。“因技术上的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才率先重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。”李培刚说。
硅光芯片制造技术是基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行光器件开发和集成的技术，其结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，与现有的半导体晶圆制造技术是相辅相成的。
我国十分重视硅光芯片产业的发展。但刚开始时，国内的高端硅光芯片以设计为主，流片主要还是在国外，芯片制备的周期长、成本高，制约了我国硅光子技术的发展，“加之国外限制中国的芯片技术发展，采取了一系列措施，对我国硅光芯片企业的发展造成了较严重的影响。”
硅光技术发展主要可以分为3个阶段：
第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；
第二，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像乐高积木一样，通过不同器件的组合，集成不同的芯片；
第三，光电一体技术融合，实现光电全集成化。把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。
尽管硅光技术日趋成熟，硅光芯片即将进入规模化商用阶段，但是仍存在需要突破的技术瓶颈，如设计工具非标准化、硅光耦合工艺要求较高以及晶圆自动测试及切割等存在技术性挑战。
我国在硅光芯片的研发上已经取得了技术突破，但在产业化方面，国产硅光芯片产业化技术还存在一些问题，包括结构设计、制造工艺、器件封装和应用配套等，需要不断发展成熟，除了技术本身，硅光芯片的产业化也会受到材料、工艺、装备、软件、人才以及市场生态等综合因素的影响。所以，在对技术方面的研发进行投入之外，形成一个好的产业生态，搭建平台、优化生态，产业链上下游加大合作，对于硅光芯片的发展也是非常重要的。”李培刚说。
04我国硅光产业发展现状
我国正处于追赶者的地位。由于我国进入硅光领域较晚，但在硅光子学的发展方面非常活跃，有许多参与者参与其中。尽管该行业在我国仍处于起步阶段，但正在形成合作伙伴和合资企业。目前主要通过并购或者与外企合作的模式切入，正处于追赶者的地位。我国目前在硅光领域开展布局的企业主要有华为、光迅科技、亨通光电、博创科技等。
我国硅光发展与发达国家仍存在差距。我国在光模块产业链中，上游核心芯片和器件一直比较弱，尤其是25Gb/s以上的高速高端芯片领域国产化率极低。高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）严重依赖进口，与国外产业领先水平存在明显差距。数据显示，我国2.5Gb/s光通信芯片国产化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片国产化率却不超过5%，非常依赖Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。在目前的硅光技术中，依然呈现出这种态势，国产厂商更多依靠封装能力与欧美芯片厂商合作，来切入产业链，后期通过技术积累提升自研芯片技术是重要发展方向。
在设计方面，架构不够完善，体积和性能平衡的问题没有妥善解决。在制备方面，我国的硅光芯片大部分都需要国外代工，对外依赖度大。在封装方面，硅光器件之间的耦合以及大密度集成仍然存在问题。
在测试方面，高速仪器仪表还严重依赖国外。
在推广应用方面，虽然第一代硅光相干芯片已经完成研制，但是距离应用还有一段路要走，关于如何在数据通信领域发挥硅光技术优势，降低成本，依然是我国硅光发展需要面临的问题。
在企业规模上，相比集成电路企业，我国硅光企业大都规模较小，芯片严重依赖国外，企业实力较弱，垂直整合能力较差，虽然有一些硅光企业，但大都是设计、后道制程和封装企业，具有芯片制备能力的企业寥寥无几。
奋起直追，硅光技术被列入国家重点扶持方向
我国在“十五”到“十四五”期间，对硅基光电子技术研究不断给予投入，政策上不断给予支持。目前在硅基激光器/调制器/探测器等高性能单元器件、硅光片上复用技术、硅光量子芯片、硅光芯片传输功能研究和系统应用验证等核心技术方面取得了重要进展，在硅光技术基础研究方面接近国际一流水平。我国的硅光芯片产业布局也愈发完善，我国被称为“光芯”的城市约有六座，目前，已经形成武汉、大连、上海、南通等全球知名的光子芯片产业链。
随着技术的发展，包括硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种材料体系已被用于研发单片集成或混合集成的光子芯片。光子集成技术的发展已经实现了明显突破。
纵观历史，科技革命的扩散周期大约为60年，集成电路从20世纪60年代诞生至今也已过去60年，硅光芯片无疑是引领下一个60年的关键。属于硅光芯片的时代已经到来，但硅芯片行业一直残酷地循环着优胜劣汰和洗牌，谁能追逐得更快，谁才会成功。任何玩家想在硅光领域里一展宏图，还需要翻越众多“技术高山”………
