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硅光子时期正在窜改数据中心，而最大的变革还在背面。
可插拔光模块已在数据中心应用多年，并主导着横向扩张指挥。下图是的 Jupiter 收集，用于互连集群中的数千个 Ironwood TPU。图中大部分线缆为黄色，代表单模光纤 (SMF)。至于纵向扩张，英伟达 CEO 黄仁勋客岁夏天曾暴露，“咱们应该尽可能永劫刻地使用铜缆。” 大多数不雅察东谈主士合计，最多还能再用两到三代。
图 1：Google Jupiter 收集
横向扩张（scale-out ）收聚会存在多量指挥。每个机架皆配备一个机架顶部 (TOR)以太网交换机，领有 128 个以上的端口，其上方还有 1-2 层横向扩张收集。纵向扩张（scale-up ）的链路数目则要多得多。举例，在 Nvidia NVL72 机架中，有 18 个交换机，每个交换机平直指挥到 72 个 GPU 中的每一个：18 x 72 = 每个机架 1296 个链路。跟着 NVL144 和 NVL576 等更大畛域的 pod，每个机架的纵向扩张链路数目也会加多。因此，当纵向扩张承袭光纤时，光纤阛阓将会大幅增长。
在2025年光纤通讯展（OFC 2025）上，OMDIA发布的光纤器件阛阓预测泄漏，阛阓畛域已从2003年的数十亿好意思元（主要应用于电信领域）增长到2023年的约130亿好意思元，尔后增长速率将显赫加速，瞻望到2030年将达到250亿好意思元，这主要获利于东谈主工智能收集的发展。伊始是横向扩张，几年后是纵向扩张。CignalAI最新的预测则合计，到2029年，阛阓畛域将达到310亿好意思元。
图 2：光器件阛阓总畛域
光学元件包括：
硅光子学是将原分内布的光子器件集成到更正的CMOS工艺中；
激光器、硅光放大器（SOA）以颠倒他基于III-V族工艺（如磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs））制造的器件，以及封装、光纤、指挥器、适配器，用于在芯片之间提供指挥。
本文重心先容硅光子学。后续著述将研究其他环节组件。
光如安在芯片间传输数据
数据中心的铜缆正在向光纤过渡。骨子的物理光指挥由光纤电缆兑现，这些电缆频频是“单模光纤”，用于传输单模或多波长的光。包层不错保护光纤，但更蹙迫的是，包层的折射率低于纤芯，从而使答应蚁集在光纤中。光纤电缆阛阓畛域重大。阛阓率领者康宁公司每年销售价值 68 亿好意思元的光纤居品。Meta 公司最近与康宁公司达成了一项价值 60 亿好意思元的公约，将在异日几年内不绝供应光纤电缆。
图 3：单模光纤电缆——骨子光纤直径为 8-9毫米，电缆直径为 2-3 毫米
骨子的光纤由玻璃制成，极其纤细——只消9毫米，也即是1/100毫米。如斯眇小的直径使得光保握单模景象，而硅光子学恰是专揽了这少许。
光纤通讯中使用的波长是O波段、E波段、S波段、C波段和L波段，因为这些波段在光纤中的信号损耗相对较低。它们皆位于红外光谱范围内。
图 4：光纤中的光传输频段
由于 O 波段在硅波导中的传输损耗低，因此被应用于硅光子学领域。
在光纤或芯片的波导中，不错使用单波长或多波长信号。多波长信号不错通过两种方式兑现：粗波分复用 (CWDM) 和密集波分复用 (DWDM)。CWDM 指的是波长之间的远隔相对较大；DWDM 指的是波长之间的远隔相对较小。CWDM 和 DWDM 皆能提供更高的带宽，但它们的兑现挑战各不调换。
请提防，尽管确切整个用于互连的光纤皆是 SMF（单模光纤），但它们不一定不错互操作，因为光不错在单个或多个波长、不同波长和/或使用不同的指挥器上传输。
硅光子学应用
可插拔光器件
硅光子学咫尺在数据中心阛阓的主要驱能源是可插拔光收发器。
它们是一种圭臬化的热插拔确立，一端指挥到交换机或做事器的电气接口，另一端指挥到光纤。与它们所取代的铜缆比较，它们好像以更高的带宽和更低的功耗，通过光纤将数据从一个交换机/做事器高速传输到另一个交换机/做事器。
可插拔光收发器的主要组件包括：1）激光器；2）具有DSP功能和高速SerDes的CMOS芯片；以及3）硅光子芯片。在这些收发器中，硅光子调制器（频频为马赫-曾德尔调制器）对激光进行调制，以类似来自CMOS芯片的数据。此外，还有滤波器、耦合器、石榴石、透镜和阻滞器。整个这些组件皆封装在圭臬化的可插拔封装中。
Coherent 的 2025 年投资者求教预测，可插拔光器件阛阓将从 2023 年的 60 亿好意思元增长到 2030 年的 250 亿好意思元！到 2030 年，阛阓将主要以1.6T（1.6 太比特/秒）和 3.2T 数据速率为主，一些速率较慢的传统居品仍将不绝出货。
光路交换机 (OCS)
谷歌多年来一直在谷歌云中使用光路交换机 (OCS) 。
与其他AI加速器不同，谷歌的TPU无需交换机，承袭三维路由结构，可兑现数千个TPU组成的集群。其机架顶部（TOR）交换机使用可插拔光模块，并指挥到OCS层，从而兑现通盘数据中心顶层互连的再行设立。这关于冗余、可靠性和应付络续变化的责任负载的收集重设立至关蹙迫。谷歌的决策承袭MEMS（微机电系统）镜，这些微镜可给与数百根输入光纤，并将光路导向数百根输出光纤中的大肆一根。
图 5：Google OCS 使用 MEMS 镜像来路由/切换灯光
Lumentum 和 Coherent 咫尺也提供 OCS 时期，诀别承袭 MEMS（Lumentum）和液晶（Coherent）。在 2025 年 12 月的一次金透露议上，Coherent 的首席试验官暴露：“咱们相当看好 OCS。”客岁夏天，他们预测 OCS 的潜在阛阓畛域 (TAM) 将跳跃 20 亿好意思元，但当今看到客户有趣有趣日益浓厚，应用领域也愈加平庸，因此他们将 TAM 的预估上调至跳跃 30 亿好意思元。
多家初创公司正在专揽更紧凑的硅光子时期开辟“二维”光通讯系统（OCS）。这些公司包括 iPronics、nEye 和 Salience。它们皆在进行看法考证样品测试（nEye 和 Salience）或委派首批居品（iPronics）。这些时期最终可能比现存架构更经济或更可靠。这些高密度经管决策也可能使 OCS 好像应用于横向扩张指挥，伊始用于冗余/可靠性，然后用于全 GPU 到全 GPU 的 OCS 指挥，致使有一天可能取代硅分组交换机来兑现横向扩张。
共封装光学器件 (CPO)
CPO可兑现比可插拔光学器件更高的密度和更低的功耗。
跟着和博通秘书将于 2025 年推出承袭共封装光器件的以太网横向扩张交换机以缩小交换功耗，CPO 已开动蚕食可插拔交换机的阛阓份额。
图 6：Nvidia Spectrum-X 横向扩张交换机（含 CPO）
交换机是两个芯片（上图中红色方框内），上方阴私着液冷外壳。从顶部伸出的四根粗黑电缆是液冷收支线。可插拔激光器（上图中绿色方框内）位于图片底部盒子的顶部，用于提供信号载波。共有9个激光器，每个盒子可能包含8个激光器。不错看到9根黄色电缆从激光器指挥到交换机芯片。激光器承袭可插拔盘算推算是因为它们的故障率较高，这么在发生故障时不错简略更换，而无需更换通盘交换机。左下角仅指挥了一根输入光纤——即黄色电缆。不错看到还有很多其他光纤指挥器。从I/O面板到芯片的光纤指挥必须位于咱们看不到的下方。
CPO（可插拔式）的节能上风（仅为可插拔式的三分之一）关于畛域化应用而言真理紧要，因为每个机架频频有跳跃1000个指挥。Nvidia、Broadcom、Ayar Labs、Celestial（最近被Marvell收购）、Lightmatter和Ranovus皆在致力于于开辟CPO经管决策。
图 7：配备 CPO 的 AI 加速器暴露图
如今，整个GPU/XPU/AI加速器皆使用铜缆指挥。正如英伟达的黄仁勋所指出的，咫尺的趋势是尽可能永劫刻地使用铜缆。但铜缆的性能擢升已接近收益递减的瓶颈，更高的性能会导致指挥距离过短，从而加多过失率。光纤指挥将使AI加速器好像以更低的蔓延和更大的芯片容量，握续擢升互连带宽。
Ayar Labs 与 Alchip 于客岁底展示了基于 CPO 的 AI 加速器看法图。加速器和 HBM 芯片位于硅中介层上，而光引擎芯片（图中展示了 8 个，包含跳跃 256 根光纤）则装配在有机基板上。异日，光引擎将平直装配在中介层上。
硅光代工，平坦大路
与CMOS比较，咫尺的硅光子制造畛域较小，但硅光子器件代工场将迎来巨大增长，台积电或将成为第一。
咫尺主要的硅光子芯片代工场商是GlobalFoundries（最近收购了AMF）和Tower Semiconductor。此外还有一些畛域较小的厂商，举例提供原型制作做事的imec、荷兰的LioniX以及马来西亚的Silterra。台积电、三星和联电皆在为其代工居品开辟硅光子芯移时期。
GlobalFoundries (GF)收购 AMF 后，宣称已成为全国排行第一的硅光子(SiPho)代工场，瞻望 2026 年 SiPho 收入将接近 3 亿好意思元，到本十年末将跳跃 10 亿好意思元。GF 硅光子副总裁兼总司理 Kevin Soukup 说，他们在新加坡领有两座晶圆厂，主要专注于 C 波段和 L 波段，主要用于远程关联应用。其中一座是他们收购的 AMF 晶圆厂，另一座是他们原有的畛域更大的晶圆厂，该晶圆厂也承袭 AMF 工艺。专揽更大的晶圆厂，他们不错大幅擢升产能，茂盛远程客户的需求。
{jz:field.toptypename/}在马耳他，他们的 SiPho 晶圆厂专注于可插拔收发器和共封装光学器件。他们领有一种不错在芯片上制造 45nm CMOS 以及射频和/或硅光子器件的工艺。他们还不错制造不含 CMOS 的 SiPho 芯片。他们专揽其12nm FinFET工艺的先进确立来制造低损耗波导。他们还领有类似于台积电COUPE工艺的时期，该工艺将电接口芯片（EIC）与光子集成芯片（PIC）集成到单个芯片中。他们复古光纤输入的旯旮指挥和顶部指挥，但与COUPE不同的是，他们使用光学反射镜进行顶部指挥，将光反射90度角至旯旮指挥，从而无需使用光栅耦合器。这使他们在宽带领域具有上风，因为光栅耦合器难以处理宽带信号。Soukup暴露，他们的客户已在盘算推算中“集成”了GF的CPO时期，以兑现横向扩张和纵向扩张。
GF还预测，2026年全国排行第二的硅磷晶圆代工场营收约为2亿好意思元，第三约为1亿好意思元，第四约为5000万好意思元。将这三家工场的营收相加，并估算其余工场的营收，2026年硅磷晶圆代工场的总营收将不及10亿好意思元/年。这不到台积电年营收的1%。
Tower Semi 似乎是全国第二大硅光子器件代工场。据先容，Tower Semiconductor 的 PH18 SiPho 晶圆代工决策旨在茂盛日益增长的 O 波段和 C 波段数据中心互连阛阓需求。该平台由 Tower Semiconductor 位于好意思国加利福尼亚州纽波特比奇的 200 毫米晶圆厂提供。咱们、、公司浅近的多名堂晶圆 (MPW) 穿梭测试磋商可提供低成本的快速原型制作做事。
与其他仅面向特定客户或仅限于小批量原型制作的“阻滞式”工艺不同，Tower Semiconductor 的“怒放式”平台面向整个 SiPho 客户怒放。Tower Semiconductor 业界最初的盘算推算平台，专为光收集和数据中心互连应用而盘算推算。SiPho 工艺与公司的 SiGe BiCMOS 工艺相反相成，通过提供高速电子器件以及光器件，为络续扩张的数据通讯阛阓提供更完好的经管决策。
值得一提的是，在2024年，Tower推出了全新的300毫米硅光子（SiPho）工艺，并将其手脚圭臬代工居品。据先容，这项先进工艺是对Tower进修的200毫米（PH18）平台（咫尺已兑现量产）的有劲补充，为客户提供了一款顶端经管决策，旨在茂盛下一代数据通讯应用中日益增长的高速数据通讯需求。
这款特有的 300mm 晶圆承袭业内一流的硅波导和起初进的低损耗氮化硅波导时期。更大的晶圆尺寸增强了与行业圭臬 OSAT（外包半导体封装测试）平台的兼容性，从而有助于与电子元件无缝集成，并提高举座恶果。
除了上述两家公司之外，有些公司自行坐褥硅光子器件，举例英特尔和意法半导体。很多其他半导体/系统公司销售的硅光子居品则由代工场坐褥——举例，念念科使用格罗方德（GlobalFoundries）的居品。
图 8：硅光子晶圆收入预测
数据中心东谈主工智能正股东硅光子代工场兑现迅猛增长：从2026年到2032年，短短六年间增长八倍。咫尺，横向扩张是主要驱能源。几年后，纵向扩张将成为最大驱能源，因为数据中心纵向扩张波及的法子远多于横向扩张。
硅光子芯片的阛阓价值在出售时将远高于芯片本人，因为封装成本可能与芯片成本相当，且利润率跳跃50%。DataM Intelligence预测，到2031年，硅光子集成电路阛阓畛域将达到320亿好意思元；Precedence Research预测，到2034年将达到290亿好意思元。
横向扩张（Scale-out）已开动向可插拔光器件（CPO）过渡，而纵向扩张（Scale-up）在不久的将来也需要CPO。纵向扩张需要CPO，是因为光子集成电路（PIC）必须弥散小，才能在GPU旯旮集成多个PIC，况且每个PIC皆需要多量的光纤指挥。这就条目PIC中的环节电路袖珍化，尤其是调制器，频频承袭微环调制器，而不是可插拔光器件中使用的体积更大的马赫-曾德尔调制器。横向扩张转向CPO的原因是，其功耗比可插拔光器件低2/3：收集传输中从简的每一瓦功耗皆不错用于筹谋，从而带来收益。
台积电咫尺确切为英伟达、AMD、谷歌、AWS 等公司坐褥整个 AI 加速芯片。这些芯片由繁多芯片组（GPU/XPU、HBM、I/O）组成。台积电条目封装内的整个芯片组皆必须由台积电按照其PDK（工艺开辟套件）和行径坐褥，以确保普通运行和高良率。这意味着台积电集成的整个硅光子芯片组皆将由台积电坐褥。一段时刻以来，台积电一直在开辟其COUPE工艺。很可能，他们开辟这项工艺是为了反馈其最大客户英伟达和博通的需求，这两家公司皆已于客岁开动在其横向扩张交换机中部署 COUPE 工艺。
鉴于 a) 硅光子晶圆代工收入增长 8 倍需要大皆成本支拨； b) 台积电咫尺坐褥 AI 加速器中整个非 HBM 芯片，异日五年内，跟着 AI 加速器向 CPO 过渡，台积电很可能从硅光子领域的零基础跃升为全国第一的硅光子晶圆代工场。日蟾光等公司领有一定的 CoWoS 产能，因此可能会出现一些非台积电坐褥的有机衬底 CPO 居品。或者，格芯或其主要客户可能会劝服台积电使用格芯制造的光学引擎芯片——格芯咫尺起初进的制程节点为 12nm，因此在 AI 加速器领域对台积电并不组成竞争胁迫。
硅光子器件、盘算推算和芯片
CMOS 盘算推算师频频会使用包含多量端正和公式的 1000 页 PDK（居品开辟器具包）。这些 PDK 包括代工场提供的多个器件库（只消盲从这些端正，这些器件就能协同责任），以及很多组成完好子系统的大型复杂 IP（常识产权）。
如今的硅光子学就像上世纪80年代的硅盘算推算雷同，其时晶圆厂的文档有限，只可用环形回荡器来展示性能，盘算推算东谈主员必须自行构建器件库，并从SPICE开动进行建模。硅光子学的更生发展，以及台积电进攻硅光子学领域，有望在异日五年内带来更多结构和基础常识产权。像Synopsys和Cadence这么的公司确乎提供硅光子学盘算推算器具，但盘算推算东谈主员正在开辟的很多结构皆是全新的，需要从基础物理旨趣动身进行相当详备、耗时的底层建模。
图 9：光子集成电路平台的典型库组件：生成、路由、处理、检测和调制
硅光子器件承袭 200 毫米和 300 毫米晶圆制造，工艺精度可达 65 纳米。所用晶圆为 SOI 结构，并带有至少 1 微米厚的埋氧层（BOX：SiO2），用于光阻滞。如下图所示，这是因为在硅（或氮化硅）波导中传输的单模光主要在硅波导芯内传播，但部分光场会“泄漏”到上方、侧面和下方的相邻材料中。因此，这些层必须弥散厚，以驻守光传播到其他有源区域。
图 10：波导中的单模光“泄漏”到周围材料中
硅光子学的一大挑战是信号损耗——波导输入端的信号强度会跟着波导中每单元距离的传输而损耗。整个光器件皆会产生信号损耗。若是信号损耗积贮过高，信号强度将不及以普通责任。因此，在硅光子学盘算推算中，对信号损耗的精准截止至关蹙迫。
在硅光子学中，频频不使用CMOS晶体管（硅光子学和CMOS的集成依然开动——GF公司有一种将两者勾搭起来的工艺——但咫尺还不浩荡）。硅光子学工艺中频频可用的器件包括：
1、布线：波导，由硅和氮化硅制成。波导需要一定的高度和宽度才能保证光的单模传输，况且波导周围需要有弥散的材料，以驻守光与其他元件发生互相作用。波导不不错90度角急转弯。迤逦需要一定的最小半径，以确保光在波导内发生折射。真理的是，两个波导不错垂直交叉，且垂直光束之间的互相作用极小。这少许相当蹙迫，因为很多代工场只坐褥单层波导。
2、检测：检测分为两类：耦合器和光电探伤器。耦合器用于拿获从光纤插足芯片的光。将光耦合到芯片的最灵验方法是使用旯旮耦合器，但光纤和芯片的瞄准可能具有挑战性。将光纤瞄准芯片以进行耦合的最粗造方法是从上方使用光栅耦合器。一维光栅耦合器用于偏振光，二维光栅耦合器用于非偏振光。偏振光纤比圭臬单模光纤 (SMF) 贵得多，因此频频仅用于激光器到芯片的指挥——激光器通过信号损耗较低的一维光栅耦合器指挥到芯片。二维光栅耦合器不错拿获非偏振光，但体积更大、结构更复杂，况且信号损耗更大。它们用于数据信号。光电探伤器用于将波导中的光强度调养为可由配套 CMOS 芯片读取的电信号。光电探伤器承袭锗制造，而锗并不是CMOS制造厂的常用材料。
3、调制：调制器用于将电信号调养到光信号上。在可插拔光器件中，调制器是马赫-曾德尔调制器。在CPO（耦合光子器件）中，调制器是微环，它是一种尺寸小得多的器件，关于消弱CPO芯片的尺寸至关蹙迫，因为CPO芯片需要将数十根光纤集成到窄小的空间内，以便与GPU耦合。如下图所示，加热器用于截止调制器，凭证来自配套CMOS芯片的电信号，将比特插入到输入的激光束中。在高速传输时，这需要高速PHY来驱动调制器。机械应力和电压也不错用作光子器件的截止技能。
4、处理方法：承袭干预仪设立的马赫-曾德尔器件可用于构建光开关，该开关给与两束入射光并诀别输出两束光。通过截止加热器，该开关不错设立为输入0输出0、输入1输出1，或者输入0输出1、输入1输出0。这些开关的切换速率可达微秒级。
图 11：AMF（现为 GF）圭臬 MPW（多名堂晶圆）进程的横截面视图
上图所示的氧化物窗口用于生物/化学光子传感器，使其好像与光场互相作用。这并非数据中心的应用。
频频，硅光子芯片不包含CMOS器件。与CMOS晶体管比较，光子器件的物理尺寸较大。举例，CMOS和SiPho芯片承袭45nm工艺。尽管某些光子器件特色不错受益于先进的光刻时期，但光子时期短期内（致使可能恒久）皆无法集成到3nm或2nm工艺中。
图 12：硅光子芯片的暴露图和芯片相片
精采
专揽硅光子时期，当今不错制造出好像对光进行复杂操控的芯片。如上图所示，这些结构体积重大，类似于早期的CMOS工艺。硅光子时期在数据中心的主邀功能是在高性能CMOS筹谋芯片和交换机之间，以及可能还有内存池之间进行数据传输。这些硅光子芯片将越来越多地集成到数据中心的每个单元中，咱们将很快习尚于看到带有亮堂黄色光纤的电路板，这些光纤传输着高带宽数据。做事器微处理器很可能也会承袭这种时期，用光学器件取代PCIe（外围组件互连） 。
硅光子制造的产业结构也将发生类似的变革，晶圆收入将兑现数目级增长，台积电有望凭借其在东谈主工智能加速器（包括光引擎在内的整个芯片组件）制造中的作用，成为最大的供应商。台积电可能会像在CMOS领域雷同，将很多架构和基础设施引入硅光子领域，从而以更短的时刻和更低的成本开辟出更复杂的光子芯片。
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