台積電矽光子傳出 2025 年量產，這項技術為何吸引蘋果、英特爾、NVIDIA 全力搶攻
台積電在甫結束的 SEMICON 分享「矽光子」進度，並視做解決能源效率和 AI 運算兩大問題的關鍵技術後，矽光子一躍而成業界討論熱點。業界傳出台積電正與大客戶博通（Broadcom）與輝達（NVIDIA）開發基於矽光子技術的新產品，最快 2025 年進入量產。
IBM 早在 20 年前就積極投入集 20 世紀兩大最重要的發明「矽積體電路」與「半導體雷射」大成的「矽光子」技術。稱霸 CPU 市場多年的英特爾也早就投資這項技術超過 10 年，中國更視為半導體發展突圍的武器，以色列也列入國家科技發展重要項目，蘋果、NVIDIA、台積電等巨頭公司也都投入多年研發矽光子技術。
根據市調機構 Yole 的預測，矽光子市場（以裸晶計算）規模將從 2021 年 1.52 億美元，2027 年攀升至 9.27 億美元，對許多已進入發展高原期的領域而言，矽光子市場正要起飛，年複合成長率達 36%，無疑是讓業界看重並投入的一大原因。
帶動矽光子技術發展，並成為新興潛力市場的一大原因，是來自光通訊需求。延續摩爾定律越來越困難，但資料傳輸效率與運算效能需求卻仍快速增長，透過半導體製程整合光電元件，不僅能提高元件密度、增加整體操作效率、減少耗能，還能達有效降低成本效益。
「這是個革命！」投入矽光子研究領域長達 10 年的國立中山大學光電系教授洪勇智這麼看矽光子技術變革。他以過去 30 年，一般家用網路從撥接，發展至 ADSL，再到光纖為例說明科技的演進反映了各式應用驅動的頻寬和網速需求。
更何況，如今在 AI 的驅動下，各項網路應用全面開展，對於資料傳輸、儲存、運算速度已不能同日而語，科技巨擘不斷追尋更高速、更節能的技術與產品，也使得雲端運算和超大規模資料中心大規模對矽光子技術有了爆發性的需求。
以矽光子的應用領域來看，用於上述超大規模資料中心的收發器 (transceivers) 正是目前需求量最大的領域，以 Yole 的預估來看，2021 年的規模約為 1.48 億美元，占整體市場比重超過九成。
儘管，由資料中心需求驅動的光通訊領域，是目前矽光子應用最大市場。但矽光子能讓全球科技業巨頭紛紛投入，應用市場絕不僅止於此。
「矽光子技術可望帶來的突破還包括更精準、敏感的生物分析和檢測。」工研院電子與光電系統研究所組長方彥翔這麼說。他所說的生物分析和檢測，最受市場引頸期待的應用就是血糖偵測。
穿戴型裝置搭載血糖偵測功能是各大科技公司努力目標，蘋果正是其一。為了開發這項功能，蘋果曾與英國矽光子新創公司 Rockley Photonics 合作開發，後來歷經終止合作關係，以及 Rockley Photonics 於今年初申請破產後，蘋果傳出在非侵入性血糖偵測功能取得大進展。
彭博社報導，蘋果正是採用矽光子技術，技術原理為透過雷射發出特定波長的光，照射到皮膚下組織被葡萄糖吸收的區域，並且反射回感測器，顯示出葡萄糖的濃度。此矽光子晶片與感測器報導是委由台積電製造。
從感測應用看，矽光子於自駕車與無人機領域也同樣受關注。光達 (LiDAR) 高感測精準度為自駕車發展關鍵，但發展仍受限成本高昂與技術複雜度，未來若應用矽光子技術，可有效縮小電動車元件體積並降低成本。
另外則是運用無人機的高階陀螺儀，過往因為體積龐大加上成本昂貴，沒有辦法搭載在一般商用無人機，若透過矽光子技術，光纖陀螺儀可大幅降低成本與體積，消費型無人機裝置可看到光纖陀螺儀應用。
此外，量子計算和通訊發展也可望由矽光子推動，從 Yole 統計來看，矽光子應用領域，光子運算 (photonic processing) 將從 2021 年幾乎不存在，到 2027 年竄升至矽光子第二大應用領域，和消費者健康相關市場會躍升至第三大，其他具強力成長動能的還包括台廠積極開發的 co-packaged engines、免疫分析 (immunoassay)、光互聯 (optical interconnects)等領域。
▲ 矽光子技術應用市場成長預估。（Source：Yole）
哪些大廠已經卡好位
事實上，這個看起極具潛力且正準備高飛的技術，是由 IBM 帶頭，爾後不少企業、研究單位、學術界紛紛投入 20 年的成果，英特爾是最快推出量產產品，市占率甚至達五成龍頭企業。而 Leti、Imec、Ime 則是深耕這個領域許久的研究單位；在設計端則有被 NVIDIA 投資的 Mellanox、被 Cisco 收購的 Luxtera 與 Acacia、Finisar、Avago 等公司投入研發。
在晶圓製造的部分，以 GlobalFoundries 的投入最早，台積電近年積極布局相關技術，2017 年與 Luxtera 共同開發新世代的矽光子技術，爾後也在封裝段也布有 COUPE（compact universal photonic engine，緊湊型通用光子引擎）矽光子晶片異構整合技術。封測大廠日月光也在布局 20 年後，去年推出 CPO 封裝，並成功進入博通矽光子產品供應鏈。
中國投入矽光子產業也不容小覷，因矽光子晶片製造可沿用半導體既有成熟 CMOS 製程與機台，且主流製程落在 45~90 奈米，這對擅長 IC 設計但製程相對落後的中國半導體產業而言，反而是推動區域半導體內循環策略的最佳致勝捷徑。以全球併購的華為為例，併購標的含英國整合光子研究中心 CIP Technologies、比利時矽光技術開發商 Caliopa。中國政府甚至在武漢設立東湖高新區光電園，全力打造矽光子相關技術。
對有半導體製造完整產業鏈與先進製程優勢的台灣而言，雖然前十年投入矽光子技術研發的廠商有限，但近年來半導體製造供應鏈低調卯足全力投入這項技術研發，希望再度複製半導體成功模式。正如日月光研發副總洪志斌所言，矽光子無疑將是「一大技術槓桿，同時也是新興應用新支點，能夠觸動出新型態與新世代的資料中心，並且帶動各種新興資料密集型應用」的重量級技術。台灣供應鏈能否成功急起直追、成功抓住下一波成長契機，現在正是關鍵。
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（首圖來源：Google）