這幾天鐘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。

鐘林老師談到了國產(chǎn)芯片的內(nèi)卷問題，現(xiàn)在的芯片行業(yè)正如鐘林老師所說的，現(xiàn)在國內(nèi)芯片內(nèi)卷嚴(yán)重，差不多產(chǎn)品就是無腦比價格，同質(zhì)化競爭不是兩敗俱傷，就是滿盤皆輸。

所以我在之前1月1日那篇長文里特意思考這個問題并提出國產(chǎn)芯片2.0時代即將來臨。

所謂國產(chǎn)芯片2.0時代我總結(jié)有兩個特征：第一是容易吃的肉已經(jīng)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(xù)成長的機會，如果還是在低端內(nèi)卷，結(jié)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(chǎn)替代而不是低端內(nèi)卷；其次是2.0時代會有一波大整合，現(xiàn)在芯片初創(chuàng)公司不要覺得干這行就自己特牛B，別人都是菜B，不要總想著自己單打獨斗做大做強，適當(dāng)?shù)臅r機要學(xué)會整合，整合同行，整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈，取長補短，攜手進步，這點更考驗公司的整合能力，執(zhí)行能力，考驗創(chuàng)始人的企業(yè)家思維，更考驗背后投資人的利益。

這個利益無關(guān)技術(shù)，只關(guān)乎人性，皆大歡喜的結(jié)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(jié)局就是僵了半天全黃最后涼涼，誰都干不好。所以做整合，做并購，是未來所有還想在這個賽道混投資機構(gòu)，創(chuàng)業(yè)公司，上市公司們，所有人都必須要學(xué)的一門必修課，切記。

以上兩點這就是國產(chǎn)芯片2.0時代的精髓。

回到第一個問題，什么是難啃的硬骨頭？有哪些方向？我可以侃侃而談很久，但是落到實處呢？經(jīng)過我司團隊的頭腦風(fēng)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(dāng)長一段時間內(nèi)關(guān)注這個領(lǐng)域和賽道。

今天先拋磚引玉，結(jié)合通訊歷史，對硅光技術(shù)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(chuàng)了通訊方式新紀(jì)元

我們的中學(xué)物理課本上學(xué)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(xué)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(jì)之中，無數(shù)科學(xué)家前赴后繼展開對電與磁的奧秘的研究和探索。

其中最杰出之一馬可尼，他為人類開創(chuàng)了無線電通信的發(fā)展之路，為無線電波的應(yīng)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(yīng)線圈和電鍵制造了第一臺無線電發(fā)射機，隨后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，隨后他帶著對意大利郵電部長的不屑，帶著他心愛的設(shè)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公里之外紐芬蘭群島的信號，實屬不易。

這也是人類無線電信號跨越大西洋的故事來源。

于是趕著馬車的郵差成為歷史的一頁，人類的通信不再靠“吼”，而是借助無線電波的技術(shù)，實現(xiàn)全球通信。

02

互聯(lián)網(wǎng)的誕生

1969年，在半導(dǎo)體技術(shù)突飛猛進的草莽年代，美國誕生了一組專用通信網(wǎng)絡(luò)，阿帕網(wǎng)。

隨后阿帕網(wǎng)的技術(shù)不斷迭代和發(fā)展，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了internet，也就是因特網(wǎng)，這種計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，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(xué)們將她的病情翻譯成英文向全世界醫(yī)學(xué)界發(fā)了一封描述病情的郵件，懇請各位醫(yī)學(xué)專家提供診斷和治療建議。

最終在互聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)學(xué)界的努力下，被確定是鉈中毒，為挽回朱令生命做出了重要貢獻。

只可惜，盡管命是救回來了，但是鉈在身體內(nèi)滯留時間過長，已經(jīng)造成了不可逆的損害。帶著殘破的身體，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(shù)人惋惜，無數(shù)人憤怒，憤怒的是兇手至今逍遙法外，沒有受到應(yīng)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(lián)網(wǎng)，電腦要連接上網(wǎng)，就必須使用專用的連接線。于是在上世紀(jì)70年代，專用的網(wǎng)線就誕生了。

這種常見的網(wǎng)線，也因為不同的時代，有不同的區(qū)別，在90年代，Cat5的網(wǎng)線問世，標(biāo)志著網(wǎng)線技術(shù)的重大突破。

這種網(wǎng)線采用高質(zhì)量的雙絞線，通過導(dǎo)線的攪合密度和降低感染，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量得到了大幅提升。

緊接著，為了應(yīng)對更大的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和需求，Cat6網(wǎng)線誕生，它比5類線，有著更可靠的質(zhì)量和更先進的設(shè)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(yīng)用于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心，以及高速互聯(lián)領(lǐng)域。通常6類線也對應(yīng)從千兆（1G）到萬兆（10G）的網(wǎng)絡(luò)，至今還有大量的網(wǎng)線采用這種標(biāo)準(zhǔn)。

03

光纖之父，高琨

2009年諾獎得主光纖通信之父，高琨

隨著通訊的數(shù)據(jù)量越來越大，有沒更好的傳輸介質(zhì)？這一難題擺在了全世界通訊界的面前。

怎么辦？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(fā)現(xiàn)了光在空氣和水中傳播會發(fā)現(xiàn)折射現(xiàn)象，這為后世光纖發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1960年，美國物理學(xué)家泰勒和哈奇等人，成功制造出人類第一根能夠傳輸光信號的光導(dǎo)纖維，這是光纖歷史上最重要的里程碑，它采用了兩層玻璃材料，通過光的反射原理進行光信號的傳輸。

到70年代，德國科學(xué)家基爾霍芬，成功制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(zhì)量和傳輸距離。

到80年代，半導(dǎo)體激光器的和光電二極管的發(fā)展，讓光纖傳輸技術(shù)得到了革命性的進步，激光器的應(yīng)用使得光信號能夠更遠(yuǎn)距離地傳輸，而且它幾乎不會衰減。

這期間有位華人科學(xué)家高琨，對光纖通訊做出了重要貢獻。

1957年，高錕即從事光導(dǎo)纖維在通訊領(lǐng)域運用的研究。

1964年，他提出在電話網(wǎng)絡(luò)中以光代替電流，以玻璃纖維代替導(dǎo)線。

1965年，高錕與霍克漢姆共同得出結(jié)論，玻璃光衰減的基本限制在20dB/km以下，這是光通信的關(guān)鍵閾值。然而，在此測定時，光纖通常表現(xiàn)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(shù)的發(fā)展，于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(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)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(jié)構(gòu)和材料特性。簡單地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。這一設(shè)想提出之后，有人稱之為匪夷所思，也有人對此大加褒揚。但在爭論中，高錕的設(shè)想逐步變成現(xiàn)實：利用石英玻璃制成的光纖應(yīng)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(jù)。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(tǒng)也在1981年啟用。

在20世紀(jì)70年代中期，高錕對玻璃纖維疲勞強度進行了開創(chuàng)性的研究。在被任命為國際電話電報公司首位執(zhí)行科學(xué)家時，高錕啟動了“Terabit技術(shù)”（“兆兆位技術(shù)”）計劃，以解決信號處理的高頻限制，因此高錕也被稱為“Terabit技術(shù)理念之父”。

高錕還開發(fā)了實現(xiàn)光纖通訊所需的輔助性子系統(tǒng)。他在單模纖維的構(gòu)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(lǐng)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為單位的成功關(guān)鍵。

04

光模塊通訊

解決了傳輸介質(zhì)問題，接下來就是解決光發(fā)射/接受，以及調(diào)制解調(diào)等技術(shù)問題。

這些問題只是工程學(xué)應(yīng)用的問題，無非就是把這些負(fù)責(zé)具體功能的芯片造出來，然后把它們整合到一起，光模塊就做成了。

所謂光模塊（Optical Modules），實際上的作用是實現(xiàn)光電信號互相轉(zhuǎn)換的光電子器件，因為計算機用的是以0和1為單位的電信號進行運算，要通過光纖傳遞光信號，那么必須要有專門的光電轉(zhuǎn)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(fā)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(qū)動器，數(shù)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(wǎng)絡(luò)

然后把光芯片和電芯片整合到一起，用特定的封裝技術(shù)封裝好后就變成我們看到的光模塊。

成品光模塊

根據(jù)不同的應(yīng)用場合，不同的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，光模塊接口速率也各不相同，從125Mbit/s到41.25Mbit/s不等。

然后通過更先進的光波分復(fù)用技術(shù)，我們就做出了10G到400G不同的光模塊。

隨著不同時代，整合的技術(shù)，封裝技術(shù)也各不相同，最早的300PIN MSA光模塊是最先應(yīng)用于SDH和10G以太網(wǎng)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的模塊。第一個可插拔光模塊是GBIC，在千兆以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器，交換、路由產(chǎn)品廣泛使用。緊接著就相繼出現(xiàn)了XENPAK、XPAK/X2、SFP、XFP、SFP+等可插拔光模塊。

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

然后就是QSFP、CFP、CXP、CDFP、QSFP-DD、OSP等等光模塊如雨后春筍般冒了出來，對應(yīng)的速率也從10G、40G、100G、200G、400G到最新的應(yīng)該是QSFP-DD，多模的，850nm波長，黑白光，400G主流，當(dāng)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(jīng)制約了更高光模塊速率，業(yè)內(nèi)追求更高集成度，更低功耗，更強速率，于是硅光時代來臨。

05

硅光時代

傳統(tǒng)光模塊，實際上依然是在一塊PCB板上實現(xiàn)，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(jīng)是極限了，那如果想進一步呢？

于是硅光技術(shù)來了。

首先大家思考一個問題，為什么我們需要這么高的傳輸速度？

答案是顯而易見的，因為傳輸和存儲的數(shù)據(jù)，幾乎是幾何倍數(shù)的提升。

如今互聯(lián)網(wǎng)的帶寬已經(jīng)達到了幾百Tbps的水準(zhǔn)，這對數(shù)據(jù)中心內(nèi)的后端流量提出驚人的需求，顯然單個服務(wù)器設(shè)備的處理能力是有限的，于是有人提出能不能解決處理器間通信？這樣多個芯片聯(lián)合起來，就能進一步提升計算能力，非常棒！那么怎么實現(xiàn)多芯片聯(lián)合呢？

這就是1.6T以太網(wǎng)的誕生初衷，就是為了處理器間通信。

因此，處理器間通信成為了1.6T以太網(wǎng)的首個應(yīng)用場景。繼這一代應(yīng)用之后，預(yù)計數(shù)據(jù)中心將推出交換機間的直連技術(shù)，實現(xiàn)高性能處理器和內(nèi)存資源的集中利用，大幅提升云計算的擴展性和運行效率。

灑家曾經(jīng)在DPU網(wǎng)絡(luò)芯片那篇文章里也講過這個應(yīng)用場景，網(wǎng)絡(luò)芯片哪家強？專業(yè)科普：原來這個領(lǐng)域要比你想的更復(fù)雜！

我推斷未來存算分離之后，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(wù)器連接到一起打破系統(tǒng)瓶頸，進一步提升系統(tǒng)性能。

這就是典型的1.6T超高速以太網(wǎng)的應(yīng)用場景。

1.6T的超高速以太網(wǎng)非常的復(fù)雜，涉及專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)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(zhì)控制訪問器，它負(fù)責(zé)以太網(wǎng)成幀功能，包括查看源地址和目標(biāo)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(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC），交換/橋接MAC。

對于較低的以太網(wǎng)速率，物理編碼子層(PCS)只需對數(shù)據(jù)流進行編碼，即可開始檢測數(shù)據(jù)包，并確保信號平衡，然而，隨著以太網(wǎng)速度的提高，PCS的復(fù)雜性也在增加。如今，由于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(wǎng)延遲是整個系統(tǒng)的延遲，它包括發(fā)送隊列、信息處理時間、傳輸持續(xù)時間、介質(zhì)穿越時間、信息接收時間、結(jié)束處理時間和接收隊列中的時間。

除了本身數(shù)據(jù)源匹配，糾錯，等數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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，畢竟遇到瓶頸才有新的需求！

傳統(tǒng)的交換機上，從接收到光信號轉(zhuǎn)換成電信號處理之后再變成光信號轉(zhuǎn)發(fā)出去，要多達7,8次光電轉(zhuǎn)換，這都帶來了巨大的功耗開銷以及性能損失。

于是谷歌直接用光纖準(zhǔn)直器陣列（fiber collimator array），光纖直準(zhǔn)器陣列內(nèi)部包含多個光纖陣列和微透鏡陣列，來實現(xiàn)光信號的輸出輸出。而用的實現(xiàn)光開光和轉(zhuǎn)換就是用多個MEMS陣列芯片，而MEMS芯片的加工制造，就是賽微電子的瑞典工廠，它就是干的這個活，畢竟瑞典廠號稱“MEMS領(lǐng)域的臺積電”。

谷歌的OCS光交換機號稱能實現(xiàn)136個光路之間的任意切換，還能雙向傳播，比傳統(tǒng)交換機不知道提高了多少倍性能。現(xiàn)在這項技術(shù)已經(jīng)部署到谷歌最新的TPU v4的集群中，效果拔群！

光交換的部分講完了，最后講本文重點硅光。

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(shù)把它們在同一塊晶圓上做出來。

集成之后，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制造技術(shù)，把光和電整合到一起，因為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(shù)并不是最近才有，很多年前，上世紀(jì)90年代就有使用摻雜石英，鈮酸鋰或磷化銦等材料作為材料表面，在電信和長途數(shù)據(jù)通信上已經(jīng)有所應(yīng)用。

但是眾所周知，集成電路使用的基礎(chǔ)材料是硅，因為硅工藝非常成熟，而且有較低的成本和更大的產(chǎn)能，也就是說在硅工藝上，能實現(xiàn)器件小型化和低成本，是非常適合商業(yè)化的技術(shù)。

總結(jié)起來硅基版本的光電子集成電路技術(shù)優(yōu)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(shù)在大規(guī)模 CMOS 集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢；

3、在硅芯片上集成光傳輸通道的工藝難度相對較低；

4、以硅材料為襯底，實現(xiàn)硅光，電，其他材料（如3-5族化合物）等的 CMOS 集成；

從現(xiàn)有的EIC電部分芯片，實際就是用硅材料做的，比如驅(qū)動器，編解碼，CDR，DSP，只是現(xiàn)在是分立，無非就是怎么做出一個SoC芯片，這個非常考驗設(shè)計功底和制造能力。

剩下的就是光分立器件部分。

傳統(tǒng)的光通信模塊主要是由3-5族半導(dǎo)體芯片、高速電路芯片、無源光組件及光纖封裝而成。但隨著晶體管尺寸不斷變小，電互連面臨諸多局限，業(yè)界發(fā)現(xiàn)摩爾定律不再適用，50Gbps已經(jīng)接近傳統(tǒng)銅電路極限。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及芯片層面的“光進銅退”成為必然。硅光，即采用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù)，將光學(xué)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為信息傳導(dǎo)介質(zhì)，以提升芯片與芯片間的連接速度。

所以怎么才能把這EPIC在硅晶圓上集成呢？

眾所周知，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(chǎn)生光源，因此過去的光模塊的發(fā)射和接受普遍使用磷化銦或者是砷化鎵材料制造，用它們來做光分立器件。

現(xiàn)在是準(zhǔn)備把3-5族化合物材料和硅材料做異質(zhì)集成，將幾種材料放一起，既能實現(xiàn)3-5族材料的有源功能，又能利用硅集成電路工藝優(yōu)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(fā)的功能，相當(dāng)于把光模塊與交換機芯片的距離無限拉近在一起。

圖片源自O(shè)FC 2018 亨通洛克利

前景是美好的，但是工藝和設(shè)計上依然面臨一大堆挑戰(zhàn)，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(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的問題。

目前業(yè)界想到的辦法是在SOI硅上做。

所謂SOI硅，專業(yè)詞叫絕緣襯底硅，實際上是一種特殊結(jié)構(gòu)的硅片，它更像一個三明治夾心結(jié)構(gòu)，在硅中間有一層二氧化硅。

現(xiàn)在使用BiCMOS工藝，已經(jīng)能把調(diào)制解調(diào)，光波導(dǎo)，光探測，電容，電阻以及絕大多數(shù)的電芯片集成到一起了。

只剩光發(fā)射，業(yè)內(nèi)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。

于是在一塊小小的SOI硅上，實現(xiàn)了800G，1.6T超高速率的光模塊功能。

再展開題外話，現(xiàn)在硅光僅僅用于光通信，并不是硅光技術(shù)的極限，英特爾在多年前就已經(jīng)想到了用硅光技術(shù)替代一部分芯片上的銅互聯(lián)，和光通信上的“光進銅退”，如出一轍，只是不知道這項技術(shù)什么時候能商業(yè)化落地，讓我們拭目以待。