台积电副总余振华日前表示：「我们可能处在一个新时代的开端。一个良好的硅光子整合系统能够有效解决能源效率和 AI 运算能力的问题，这将带来一场新的范式转变。"
台积电大举研发硅光子技术的传闻早已流传。据悉，他们组建了一支由 200 多名专家组成的研发团队，专注于将该技术应用于 CPU、GPU 等计算制程。台积电正与英伟达、博通等大客户合作开发硅光子以及共同封装光学元件 (CPO) 等新产品。制程技术已从 45nm 延伸至 7nm，预计 2024 年将有重大进展，并在 2025 年进入量产阶段。
从上世纪硅光子概念被提出，到 2010 年英特尔成功研制出全球首个硅光芯片，这项技术似乎终于迎来了爆发的契机。
自从进入 7nm 制程，关于“摩尔定律已死”的声音不断出现，英伟达 CEO 黄仁勋便是其代表人物。台积电创始人张忠谋则认为，后摩尔定律时代将开创新的局面，另辟蹊径。
今年 3 月，摩尔定律提出者摩尔·戈登去世，再次引发了关于该定律的广泛讨论。无论观点和结论如何，芯片行业始终在不断扩大晶体管数量，推动先进制程发展，并期待打破芯片互连瓶颈。
打破芯片互连瓶颈的关键在于“速度”。早在 2020 年，英特尔资深首席工程师、英特尔研究院 PHY 研究实验室主任 James Jaussi 就指出：「我们正接近 I/O 功耗墙和 I/O 带宽鸿沟，这将严重阻碍性能扩展。」
这也是整个半导体行业密切关注硅光子技术的原因所在。
图/英特尔
在最近举行的半导体研发大师论坛上，多位行业技术专家和领袖出席，包括台积电研发六骑士中的三人：孙元成（前台积电技术长）、杨光磊（前台积电研发处长）以及余振华。在本次论坛上，余振华再次强调了硅光子技术对当前半导体行业的重要性：
「摩尔定律并没有消亡，它只是衰退缓慢，机会在于先进封装和系统整合。我们期待着实现更高的系统能源效率和更优越的性能，逐渐走出摩尔定律的限制。通道外面充满光明，而光的含义有两层：一是未来的光明，二是光子。"
硅光子技术顾名思义，是结合了硅技术和光子技术，更准确地说，是一种使用光子代替电子进行数据传输的光通信技术。
在去年 12 月举行的第 68 届 IEEE 国际电子设备会议 (IEDM) 上，IBM 代表 Chris Penny 表示：「在约 20-25 年的时间里，铜一直是互连的首选金属。」
事实上，如今数十亿台电子设备仍然使用金属导线来连接芯片与电路板，以及芯片与芯片。每个芯片除了数百亿个晶体管之外，还需要十几层金属连线将这些晶体管连接起来，形成寄存器、放大器、算术逻辑单元，以及构成处理器核心和其他重要电路的复杂单元。
问题在于，随着先进制程工艺逼近物理极限，芯片内部由于互连线引起的各种微观效应已经成为影响芯片性能的重要因素。
如果将芯片比作一条公路，当道路宽度接近行驶的汽车时，汽车就会变得难以移动。当芯片变得越来越小、密度越来越大时，互连线也需要越来越细，互连线间的距离缩小，电子元件之间引起的各种量子效应也会越来越影响芯片性能。
光纤系统在世界各地以每秒钟数万亿比特的速度传送数据，工程师们很早就意识到，光子技术不仅可以实现跨国数据传输，还可以用于数据中心之间，乃至计算机之间以及芯片与芯片之间的传输，因此诞生了硅光子技术。
硅光子芯片原型，图/Imec
与电子通过铜等芯片互连线材料进行数据传输相比，硅光子技术最大的优势在于更快的传输速率。光对于玻璃来说是透明的，不会发生干扰，因此理论上可以利用玻璃中集成的光波导通路进行数据传输，适合用于大规模通信。
人们普遍认为，硅光子技术可以让处理器内核之间的数据传输速度提升 100 倍甚至更高，并且具有极高的功率效率 (意味着更低的功耗)，因此被视为新一代半导体技术。
此前硅光子技术并没有得到足够的重视和讨论，除了导入过程中面临的工艺难度和成本考量之外，主要原因在于芯片行业从未像今天这样迫切地追求更高效的芯片互连以及高算力和高带宽。
毫无疑问，以大模型和生成式 AI 为代表，人工智能已经席卷了整个科技界，几乎所有科技类展会都绕不开它。上周召开的上海外滩大会、腾讯全球数字生态大会以及国际半导体展，都展现了这一趋势。
人工智能的兴起也带来了许多挑战，尤其是在半导体技术方面。台积电董事长刘德音在今年的国际半导体展上发表了主题演讲《AI 时代的半导体技术》，其中提到：「AI 模型的训练带动了算力和内存的高需求，也让半导体面临从异质整合到整合 Chiplets (又称小芯片) 的趋势。」
刘德音，图/台积电
我们都知道，芯片的计算本质是晶体管的开关操作，因此晶体管数量一直是衡量算力的关键指标。如今用于 AI 训练的英伟达 GPU 已经达到了千亿级晶体管的极限，芯片行业普遍认为，我们需要通过 3D 整合互连，利用多个小芯片来实现更低的成本和更高的晶体管数量。
传统的电信号数据传输方式已经难以满足不断增长的需求。「AI 和 HPC（高性能计算）领域对计算能力的需求持续增长，这也推动了对多节点、多 GPU 系统的需求，这些系统需要在每个 GPU 之间实现无缝的高速通信。」英伟达在介绍 NVLink 和 NVSwitch 技术时提到，「速度更快、可扩展性更强的互连已成为当务之急。」
硅光子技术的出现为解决这一难题带来了希望。它可以将电信号转换为光信号，实现更快的数据传输速度、更远的传输距离以及更低的功耗和延迟。理论上，将光学接口与 CPU 和 GPU 封装在一起，能够有效提升 GPU 之间的带宽，同时节省能耗和空间，实现将数百台服务器作为一个巨大 GPU 的目标。
正如台积电董事长刘德音所言，在 AI 的推动下，硅光子技术将成为这个行业的关键技术。
题图来自 IBM