圖解矽光子關鍵技術：為何台積電、日月光都瞄準？矽光子原理是什麼？

矽光子是什麼？重要在哪？

AI商機持續發酵，高速傳輸也在加速運算趨勢下成為焦點。台積電董事長劉德音曾指出，矽光子將成為半導體產業的關鍵技術。不僅如此，日月光執行長吳田玉更直言： 「矽光子會是半導體產業5到10年後的突破點。」

事實上，IBM以及英特爾（Intel）等大廠早就開始研究矽光子技術，台積電和日月光也投入研發多年。吳田玉認為，台灣目前已擁有製造優勢，若矽光子也著床的話，有助於鞏固台灣當前製造生產鏈的一切。

台積電更指出，目前正在研發緊湊型通用光子引擎（COUPE）技術，COUPE使用SoIC-X晶片堆疊技術，將電子裸晶堆疊在光子裸晶之上， 相較於傳統的堆疊方式，能夠為裸晶對裸晶介面提供最低的電阻及更高的能源效率。

台積電預計2025年完成支援小型插拔式連接器的COUPE驗證，2026年整合CoWoS封裝成為共同封裝光學元件（CPO），將光連結直接導入封裝中。

矽光子原理｜如何把電子改成光子？

一般的電路板上，佈滿許多由銅線製程的電路，當中的電子便會循著這些銅製電路前行來傳遞訊號。矽光子則是改由「光子」取代大部分的電子訊號做傳遞，由於光子速度比電子快，又較不易產生熱能，可達到更好的傳輸效果。

要怎麼把電子改成光子呢？實際上現行伺服器的外殼後端，可插入一個光電訊號轉換器模組，可稱為「光收發器」。電子走到伺服器尾端進入這個模組後，訊號就會由電子轉成光子，隨後光子便會沿著如光纖這樣的光波導材料，帶著訊號傳遞出去。

這項技術已存在多年，如今台積電要做的，便是將收發器內負責將光訊號轉成電訊號的模組，和晶片運用先進封裝整合在一起，做成矽光子。像這樣將光電整合模組和晶片封裝在一起的技術，稱之為CPO（Co-Packaged Optics）。

矽光子圖解

過去電子會從晶片出發，藉由用銅線走到伺服器尾端的光收發器才轉成光。 做成矽光子後，電子一出發就會進入訊號轉換處變成光子，無需等到伺服器尾端才做轉換，減少電子走銅導線的距離，後段則全都由光子來傳送，讓晶片無論在效能還是功耗上的表現都能進一步升級。

矽光子發展有哪些困難？

然而理想很豐滿，現實很骨感。當前的技術發展僅能做到將光電整合模組移到伺服器內，固定於主機板上。未來台積電和日月光都希望能透過2.5D先進封裝，將晶片和光電整合模組包在一塊，做成真正的矽光子。再下一步，則會將模組疉到晶片上，透過3D封裝將銅線縮到「極致短」。

MIC資深分析師鄭凱安指出，矽光子要普及化還要幾年的時間，未來還有三項困難點需要克服。首先，是如何將光電整合模組成功微型化；其次是訊號轉換的效率問題仍待克服，「因為轉換會造成訊號的損失。」

第三，鄭凱安指出，將來如何佈建矽光子伺服器是一大挑戰，「現在光收發模組是插在伺服器後面，很好安裝；未來到矽光子的時候，光纖壞了就必須要把電路板拆開。」他認為，便攜性是未來矽光子在發展時的一大瓶頸，很可能未來的伺服器供應商會需要一組人馬，專責來做維運。

至於未來的應用場景，鄭凱安點名資料中心、車子、無人機但超大型顯示看板等領域會率先導入。

矽光子發展｜台灣應把握優勢，發展矽光子產業鏈

實際上，離矽光子逐步放量還需要數年時間。日月光投入矽光子研發已有13年，吳田玉指出，未來封測廠和電子代工廠兩者之間的界線將趨於模糊，商業模式也需要持續觀察。

吳田玉表示，目前矽光子多半還處於研究階段，未有實際產品出現，「現在矽光子真正著床在通訊的都是美國人。」

發展矽光子有助於延伸摩爾定律壽命，也可鞏固台灣於全球的半導體地位，吳田玉呼籲，台灣有相當好的研發條件，半導體產業必須聯手投入，「大家一起來談，把這個（矽光子產業鏈）慢慢成形，不要到最後被整碗端走。」

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責任編輯：錢玉紘

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