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數(shù)據(jù)中心/AI服務器市場爆發(fā)，對硅光互連技術的需求進入加速期
近些年，全球數(shù)字化進程推進，以及5G、物聯(lián)網和云計算技術的普及，惠及數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模的穩(wěn)步增長，而伴隨AI尤其是生成式AI引領的一場大模型競賽，以及由此帶來的一些端側AI應用場景的出現(xiàn)，更讓數(shù)據(jù)中心的規(guī)模增長呈現(xiàn)一種爆發(fā)態(tài)勢。
這背后則是一場圍繞AI技術發(fā)展和應用落地的高性能算力集群、基礎設施搭建的全民運動，也讓AI服務器的市場規(guī)模增長不斷加速，據(jù)TrendForce最新研究，預計2024年整個服務器行業(yè)的總價值將達到3060億美元。其中，與AI服務器相關的行業(yè)價值估計約為2050億美元，與標準服務器相關的行業(yè)價值相比，增長更為強勁。展望2025年，由于需求持續(xù)旺盛且產品平均售價較高，預計AI服務器細分市場的價值將升至2980億美元，同時，預計AI服務器將占整個服務器行業(yè)總價值的70%以上。
大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和AI服務器對高算力、高數(shù)據(jù)傳輸帶寬、低延遲以及低能耗的種種要求也帶動了諸多產品和技術的創(chuàng)新和發(fā)展，其中就包括重要的互連技術。在互連技術上的光銅之爭正在發(fā)生，尤其1月中下旬英偉達黃仁勛在接受媒體采訪時的一番發(fā)言，為這一話題再添熱度?！拔覀冋谂c臺積電合作開發(fā)硅光技術，但它仍然需要幾年時間（落地）。我們應該盡可能繼續(xù)使用銅技術，在那之后，如果需要，我們可以使用硅光技術，但我覺得還需要幾年時間?！边@讓此前業(yè)內普遍認為的在數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)技術領域光進銅退的大趨勢似乎還未到蓋棺定論的時候，但要注意，黃仁勛在這次發(fā)言中同時提到，“隨著芯片復雜度的不斷提升，封裝難度隨之加大，但令人振奮的是，未來的芯片級連接，如GPU-GPU/CPU之間的OIO互連，將有望通過硅光子技術實現(xiàn)?！笨梢?，這里的光進銅退或許不是100%的絕對替代，但硅光互連技術仍是解決當前高算力芯片之間高效互連的重要技術發(fā)展方向，未來的市場空間值得期待。
近日的一次媒體溝通會上，意法半導體射頻與光通信子產品部副總裁Vincent Fraisse表達了同樣的樂觀預期，“我們深信，在不斷加速的AI基礎設施發(fā)展的新時代，所有的元素都可以通過光連接的方式來進行互連?！?/p>
市場研究機構的數(shù)據(jù)也印證了這一趨勢，據(jù)Yole預測，全球硅光市場規(guī)模有望在2028年突破60億美元，年復合增長率達25%。具體到應用領域，AI領域采用的硅光光模塊市場規(guī)模預計將從2023年的2億美元增長至2028年的34億美元，復合增長率約為38%?。特別是在數(shù)據(jù)中心和高性能計算領域，硅光模塊憑借其高帶寬、低延遲和低功耗的優(yōu)勢，成為重要的解決方案。
意法半導體以代工身份入局，背后邏輯何如？
在上面提到的媒體溝通會上，意法半導體宣布針對云光互連市場推出新一代專有硅光技術，同時結合意法半導體新一代 BiCMOS 工藝技術，可以幫助云計算服務商和光模塊廠商克服計算、內存、電源以及這些資源的互連中所面臨的性能和能效挑戰(zhàn)。
在描述這一業(yè)務和服務的定位時，Vincent明確表示，“我們的戰(zhàn)略是將自身定位為一家代工廠，因此，在光收發(fā)器業(yè)務領域，我們僅針對硅光子學和 BiCMOS 技術提供代工服務。我們也會為客戶提供諸如組裝測試等服務，甚至包括一些設計服務。但我們不會開發(fā)自己的產品，以免與客戶形成競爭關系。”
要理解意法半導體提供的技術和服務，需要了解其針對的云光互連主要的硬件產品光收發(fā)器的技術架構。光收發(fā)器的基本功能是將調制在光上的信號轉換為通過傳統(tǒng)導線傳輸?shù)碾娦盘枺ǔＧ闆r下都是可插拔的，可以插入交換機或服務器，從而構建一個靈活的互聯(lián)網絡。常見的光收發(fā)器主要由幾個重要的半導體元件構成，包括微控制器MCU，用于控制收發(fā)器的操作，有時還包含一個用于處理器（xPU）的電信號進行均衡處理的DSP；電子集成電路（EIC），負責驅動光源，同時在接收信號時對信號進行放大；以及光子集成電路（PIC），負責實現(xiàn)光信號與電信號的相互轉換。
光收發(fā)器架構及市場機遇 來源：意法半導體
意法半導體此次推出的專有硅光技術和BiCMOS工藝就分別針對PIC和EIC單元的代工制造服務。
在PIC部分，意法半導體推出專有硅光技術平臺PIC00。在意法半導體看來，如今光收發(fā)器正從PIC轉向一種被稱為硅光子學（也簡稱為SiPho）的技術，“無論是對于可插拔式光模塊還是共封裝光學（CPO）光模塊都是如此。我們相信，在AI集群需求的不斷推動之下，未來十年硅光技術的增長率將會達到雙位數(shù)?！盫incent強調。
相較于當前的電吸收調制激光器（EML）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術，SiPho表現(xiàn)出如下優(yōu)勢：
1. 易于集成，對與可插拔光模塊和CPO有很好的適用性；
2. SiPho能夠提供更優(yōu)的性能，可以實現(xiàn)更遠的傳輸距離，并且具備更高的傳輸速度，支持每個通道高達200 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果與市場對更高吞吐量的發(fā)展趨勢相結合時，Vincent提到，“可以預見，在未來幾年里，SiPho將在收發(fā)器市場中占據(jù)最大份額，甚至有可能會擠占用于GPU的短距離銅纜連接的市場份額。”
3. SiPho的另外一個優(yōu)勢是性能提升也可以轉化成為能效優(yōu)勢。Vincent介紹，“再加上可通過BiCMOS工藝實現(xiàn)更加線性的EIC，從而通過省去DSP的方式來降低系統(tǒng)的整體功耗。”這就是在被稱為線性可插拔光模塊（LPO）或線性接收光模塊（LRO）這類特定的收發(fā)器中所實現(xiàn)的功能。通過提供更優(yōu)的信號質量，更強的線性度以及更低的損耗，來去除對DSP的依賴性，從而能夠幫助降低功耗?！巴瑫r由于其更高的性能，SiPho還可以幫助LPO和LRO傳輸更遠的距離。”Vincent補充。
“PIC100是目前市場上唯一支持300毫米晶圓的單通道200Gbps的純硅技術平臺?！盫incent表示，“具有緊湊的結構、廣泛的工作范圍以及卓越的性能，而這些性能水平是目前現(xiàn)有的集成硅技術所無法達到的。PIC100采用了全新的材料堆疊，實現(xiàn)光纖與PIC的高效邊沿耦合，取代了傳統(tǒng)的垂直耦合技術，這減少了系統(tǒng)損耗，而系統(tǒng)損耗一直是困擾所有傳輸技術開發(fā)者的難題。”
PIC100計劃在2025下半年開始量產。
同時，Vincent樂觀預測，未來SiPho也將會成為芯片到芯片即GPU互連的標準技術?！跋噍^于傳統(tǒng)的機架銅纜，SiPho能夠使連接做得更加緊湊。這也是前面提到的共封裝光學CPO的一個重要應用場景?！?/p>
“這些光到光（OIO）互連需要密集型調制器來實現(xiàn)緊湊的結構，需要定制化的EIC解決方案以提升性能并進行優(yōu)化，還需要硅通孔（TSV）技術來限制損耗，并通過3D封裝技術提高集成密度。意法半導體將在PIC100設計平臺內提供構建這些光學IO所需的所有工具套件?！盫incent補充。
在EIC部分，意法半導體開放了其在BiCMOS工藝上最先進的B55X技術?！拔覀?yōu)榭蛻籼峁〣iCMOS技術已經有超過十年的歷史?！盫incent表示，“就B55X而言，它具備市場上最佳的工作頻率（Fmax）、特征頻率（FT）以及更低的噪聲性能。對于每通道200Gbps以及下一代400Gbps產品，它都是非常理想的技術。其出色的線性度對于LPO而言堪稱理想之選，這種LPO適用于低功耗且低成本的光收發(fā)器應用?！?/p>
目前已有約20家大客戶在采用意法半導體的BiCMOS技術設計EIC。
針對硅光互連市場，意法半導體選擇在這個時間以晶圓代工而不是芯片供應商的身份入局，分析下來底層原因無外乎幾點：
1. 首先是技術積累。意法半導體在硅光技術領域早有積累，具備提供相關技術和服務的能力。如Vincent所言，“十多年前我們在硅光技術上就有了很多技術積累和研究，我們也一直領引這一技術的發(fā)展，當時，我們決定暫時保留硅光晶圓的生產能力，但是不做進一步的產品的大規(guī)模生產，主要原因是那個時候市場還比較小，還處于比較早期的階段，但是我們一直都保留著我們硅光技術的研發(fā)實力?！边@點在意法半導體的財報上也有所體現(xiàn)，我們看到意法半導體在2013和2014年均有來自硅光技術的營收，分別是4.62億美元和3.30億美元，而從2015年開始又停止了這項業(yè)務，顯然是營收增長不佳讓意法半導體意識到還未到推動和開展相關硅光子學技術的時機，但其技術前瞻性仍可見一斑；
意法半導體2013-2015年財報 來源：ifind
2. 其次是時機選擇。當下硅光互連市場開始加速成長，市場進入規(guī)模放量階段，加之對未來市場增長前景的樂觀預測，是入場的好時機無疑，“一直到現(xiàn)在，由于AI的蓬勃發(fā)展，整個市場的需求已經出現(xiàn)，這個市場已經到來，而我們認為，硅光技術是為AI而生的一種技術，這就促使我們進一步重啟了基于這一技術的產品生產?！盫incent如是說；
3. 最佳盈利模式。意法半導體之所以選擇代工廠的形式而不是自己做產品，背后應該是對投入產出和最大市場回報率的考量。如Vincent提到的預測數(shù)據(jù)，“到2030年，BiCMOS和硅光相結合的代工市場總規(guī)模預計可達到20億美元?！币夥ò雽w一定是篤信，通過在BiCMOS工藝和硅光技術方面的優(yōu)勢，用開放代工的模式可以為其帶來更大的營收增長空間。
