近日在国际固态电路大会（ISSCC 2024）上，台积电正式公布了其用于高性能计算 （HPC）、人工智能芯片的全新封装平台，该技术有望将芯片的晶体管数量从目前的1000亿提升到1万亿。

台积电业务开发资深副总裁张晓强 （Kevin Zhang） 在演讲中表示，开发这项技术是为了提高人工智能芯片的性能。要想增加更多的HBM高带宽存储器和chiplet架构的小芯片，就必须增加更多的组件和IC基板，这可能会导致连接和能耗方面的问题。

张晓强强调，台积电的新封装技术通过硅光子技术，使用光纤替代传统I/O电路传输数据。而另一大特点是，使用异质芯片堆栈在IC基板上，采用混合键合来最大化I/O，这也使得运算芯片和HBM高带宽存储器可以安装在硅中介层上。他还表示，这一封装技术将采用集成稳压器来处理供电的问题。

台积电表示，当今最先进的芯片可以容纳多达 1000 亿个晶体管，但新的先进封装平台技术可以将其增加到 1 万亿个晶体管。该封装中将采用集成稳压器来处理供电问题，但他并未提及该技术何时商业化。

此外，张晓强还提到，台积电3nm工艺很快就能应用于汽车。


台积电频频布局

值得注意的是，去年以来，台积电已频频传出布局硅光及CPO的动向。

2023年9月曾有消息称，台积电正与博通、英伟达等大客户联手开发硅光及CPO光学元件等新品，最快2024年下半年开始迎来大单，2025年有望迈入放量产出阶段。

彼时业内人士透露，台积电未来有望将硅光技术导入CPU、GPU等运算制程当中，内部的电子传输线路更改为光传输，计算能力将是现有处理器的数十倍起跳。

而台积电副总裁之前曾公开表示，如果能提供一个良好的“硅光整合系统”，就能解决能耗与AI运算能力两大关键问题，“这会是一个新的典范转移。我们可能处于一个新时代的开端。”

业内分析称，高速资料传输目前仍采用可插拔光学元件，随着传输速度快速进展并进入800G时代、未来更将迎来1.6T至3.2T等更高传输速率，功率损耗及散热管理问题将会是最大难题。而半导体业界推出的解决方案，便是将硅光子光学元件及交换器ASIC，通过CPO封装技术整合为单一模组，此方案已开始获得微软、Meta等大厂认证并采用在新一代网路架构。

国内硅光工艺平台

要说开放硅光工艺平台的话，国内也有，比如中科院微电子所的硅光子平台、联合微电子中心的硅光工艺平台，除此之外中芯国际下的中芯集成电路（宁波）的光电集成业务中也有SOI异质光电集成，不过目前其工艺平台支持似乎只有RFSOI和HVBCD，分别为射频前端和高压模拟。

与国外相比，国内的开放硅光工艺平台在先进程度上要稍逊色一些，而且整体规模要小一些，以180nm/130nm和8英寸晶圆为主，但同工艺节点下的性能其实并不输国外，而且国内的硅光设计公司已经开始崭露头角。

联合微电子中心的硅光工艺平台应该是国内发展最快的了，这家2018年成立的公司在不到4年的时间里，就已经提供了180nm的硅光成套工艺CSiP180AI，以及加入双层铜互连技术的130nm工艺CSiP130Cu，同时还有300nm的碳化硅光电工艺CSiN300和3D异构集成工艺C3DS10。

同样值得注意的是，原材料价格上涨带来的涨价潮同样影响到了硅光芯片，比如联合微电子就在今年年初发布了涨价通知，表示由于掩膜版等原材料大幅上涨，将把SOI无源MPW的流片价格从4万元/block提升至48000元/block。


未来面临的挑战

随着摩尔定律逐渐遭遇天花板，硅光子技术的投入研发再次被重视，越来越多的科技公司开始加大对硅光子技术领域的研发投入。

尤其，在10nm后硅基CMOS摩尔定律开始失效，传统集成电路、器件提升带宽模式逼近极限。

相比之下，硅光技术有机结合了成熟微电子和光电子技术，既减小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成为“超越摩尔”的新技术路径。面对硅光子技术的确定性发展趋势，海内外巨头公司瞄准硅光子技术新赛道。

据YOLE分析，硅光子在光收发器市场的份额预计到2027年可能会从目前的20％扩大到30％左右；用于消费者健康设备的硅光子学预计到2027年复合年增长率将达到30％，达到2.4亿美元；用于人工智能和其他高端计算应用的光子处理器的复合年增长率将达到142％，达到2.44亿美元。

相比之下，硅光子芯片封装也面临着困扰：芯片封装是任何芯片的必经流程，关于硅光子的芯片封装问题，这是目前行业的一大痛点。

因此，硅光芯片的封装主要分为两个部分：其一是光学部分的封装，其二则是电学部分的封装。

目前，从光学封装角度来说，因为硅光芯片所采用的光的波长非常的小，跟光纤存在着不匹配的问题，与激光器也存在着同样的问题。不匹配的问题就会导致耦合损耗比较大，这是硅光芯片封装与传统封装相比最大的区别；用硅光做高速的器件，随着性能的不断提升，Pin的密度将会大幅度增加，这也会为封装带来很大的挑战。

不难发现，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，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；

不久前，台积电宣布联手英特尔押注硅光子芯片，加上近期又传出苹果在研究硅光子芯片的应用，硅光子芯片开始进入大众视野。

放眼未来，伴随着人工智能、物联网发展，硅光子芯片在智能终端、大数据、超算等领域将发挥巨大作用，正是有着如此多的优势和特点，在大数据、生命科学、激光武器等高端领域其作用不可替代。