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英特尔的决断 – 从电到光的嬗变史记

发布时间:2018-10-28 点击数:278

世界知名光学期刊“光学快报(Optics Express)”上登载了一篇论文,作者分别来自英特尔公司和加州大学圣巴巴拉分校,文章里宣布了一项研究成果 - 硅基磷化铟混合集成激光器研制成功。

除了少数硅光领域的研究者,这一事件当时并未引起光电业内太多的关注,直到多年以后回望过去时,人们才会意识到,它深刻地改变了光电子的发展方向,甚至决定了未来科技行业的面貌。

百家争鸣

 

如果评选二十世纪对人类影响最大的科技进步的话,半导体技术毫无疑问是能够名列前五的。半导体产业从分立电子器件到集成电路的发展之路堪称科技史上最波澜壮阔的史诗之一,在商业上创造了巨大的奇迹。

半导体的成功启发了光电子行业,既然电子元件能够用一块芯片集成,那么光子是否也可以?人们开始寻找集成的方法,希望将原本大小不一,形状各异的光学光电子元件像半导体芯片一样统统设计在一块光芯片里,然后批量地生产出来。但是对于集成的方法和材料,长久以来业界一直存在多种流派,彼此各执一词,争论不休。

如果把光电子元件分类的话,大致可分为有电光和光电转换的有源器件,包括激光器,探测器,放大器,和纯粹只有光传输和变化的无源器件,包括分路器,复用分波器,调制器,光开关等。前者特别是激光器只能用磷化铟或砷化镓制成,后者可使用多种材料,但二氧化硅的损耗最小,耦合最容易。

集成方案的主流流派有二氧化硅,磷化铟,聚合物和硅光子四类,因为激光器的限制,只有磷化铟能真正实现单片集成 - 即在一种材料平台上生长出所有的功能部件。

出身名门的二氧化硅

张志利是 2009 年回国的,此前他在丹麦技术大学留学,从事平面光波导的研究课题,并由此获得了博士学位。

 

丹麦技术大学先进纳米科技实验室 Danchip

丹麦技术大学的先进纳米科技实验室 Danchip 是欧洲最著名的平面光波导(PLC)研究中心。彼时所谓平面光波导就是指二氧化硅材料制成的光子芯片。由于通信光纤都是二氧化硅制造的,光电子的主要应用就在光通信当中,所以用二氧化硅材料来实现光电子集成是很自然的想法。而且二氧化硅也有显著的优点,那就是与光纤连接的损耗小,易于对准,可靠性好,所以成为当时最主流的选择。

不出意料的,张志利的回国引起了国内光电业的重视,很多单位都邀请他前往工作。但张志利的雄心并不只在谋个高薪,他更希望能有自己的事业。在几个创投基金的支持下,张志利联合自己的老同学一起创立了迅捷光电 - 一家以平面光波导技术开发和生产为业务的科技创业公司。

无论从那方面看,张志利的选择都算是正当其时。从 2007 年开始,中国加快了光纤到户的建设力度,为了把光纤拉到每个家庭,就需要在小区光纤基站部署分光模块,而这个分光模块的核心就是被称为“Splitter”的光功率分配芯片。

 

二氧化硅石英衬底上的 splitter 芯片

因为需求的增长,国内涌现了大量生产光功率分配器的中小企业,凭借价格优势,迅速取代进口占领了国内市场,甚至还能出口。然而遗憾的是,这些国产分配器的核心 – splitter 芯片都是进口的,其中占最大宗的来源是韩国。由于越来越激烈的竞争,大家都对国产化芯片非常期待,渴望从源头降低成本。而张志利正是看准了这一时机,凭借他在平面光波导领域的经验,借助资本的支持,意图扛起光电子芯片国产化的大业。

起初一切都很顺利,无论技术研发还是企业发展都在按照计划稳步推进,张志利信心满满,他期待着将公司建设成中国光电子业的“英特尔”。只是,他所学习的对象 - 美国的英特尔公司在两年前发表的研究成果,已经成为即将扇动大洋彼岸风暴的蝴蝶翅膀,而当时的他并没有认识到这一点。

风头强劲的挑战者 - 磷化铟

在 2009 年的光博会上,当来自加拿大的一家创业公司 - Onechip Photonics 首次展示其基于磷化铟单片集成的光模块时,立刻引起了轰动,媒体争相报道,客户和竞争对手纷纷跑到展台观赏。Onechip 的副总裁程东 - 一位加拿大华人成了人们围观的焦点。“这是磷化铟阵营的重大胜利“, 一家行业媒体如此评价道。

 

onechip 公司的基于磷化铟的 EPON 光模块

在实现光子集成的材料选择上,磷化铟是二氧化硅材料的有力竞争者。因为整个光电子的核心 - 激光器只能由三五族材料制成,而磷化铟的发光波段正好对应通信窗口 - 1.3到1.5um 波段,因此成为激光器最重要的基础原料。如果磷化铟也能用来制造无源的光器件,那么这种材料就能实现人们一直期望的单片集成 ,如此便能利用半导体的方式大批量生产了。

磷化铟阵营吸引了光电行业最具创新力的一些企业,比如 Oclaro,U2T,Infinera 等的加入。而 Onechip 公司的创新之处在于将磷化铟单片集成方案引入了接入网产品 - 具有海量市场的终端应用当中。这一创举引起了整个行业的瞩目,如果一直被诟病成本高昂的磷化铟能够利用单片集成技术达到被接入网市场 - 以对价格敏感著称 - 所接收的程度,那无疑意味着这一技术方向具有巨大的前景。

与正在二氧化硅技术上努力的张志利一样,Onechip 公司虽然看到了英特尔发表的成果,但也没有过多关注。程东对硅光的评价是 ”硅无法发光,所以只能与磷化铟激光器混合集成,这就面临着很多的问题。而磷化铟的单片集成方案显然更有利于产业化发展。“

起起落落落落的聚合物

美国杜邦公司是知名的化工业巨头,但是很多人不知道的是,杜邦还曾有过一家叫做”杜邦光子“的子公司,这家公司有个非常出名的产品 - 聚合物光子芯片。

也许是因为杜邦在聚合物材料上的本业优势,杜邦光子为光子集成提供的解决方案就是基于聚合物材料的。按照杜邦公司的说法,聚合物的制造工艺简单,波导折射率可以方便地调整,而且热光效应高于其它材料,所以非常适合做光开关,可调衰减器等无源的光器件。在杜邦光子开发的光开关芯片中,最多可以达到 40 通道,也就是说只需一块芯片就能取代原来需要一个大机箱才能装下的机械光开关。

不过聚合物的缺点也很明显,稳定性差,寿命短,性能良好的聚合物材料很贵,所以业界的热度始终不高。杜邦光子算是该阵营最知名的玩家了。

不幸的是,杜邦公司似乎很快就失去了信心,2008 年杜邦光子被出售给了另一家光电企业 - Enablence 科技公司。此后聚合物阵营一直消沉良久,渐渐被边缘化了。

迷茫的硅光子

硅虽然号称 ”半导体之母“,但本身并不适合做光电子。因为硅是间接带隙化合物,无法直接发光,不能做激光器,做无源器件时光损耗也比较大,跟光纤又不匹配,耦合难度很大,因此很长时间都没有引起光电业的重视。彼时二氧化硅正大行其道,磷化铟也在不断进步中,硅光子只是靠着硅在半导体业的成功,让人们期待其能够借助半导体制造工艺实现低成本大批量生产,然而现实是谁也不知道这条路能否走通,硅光子企业们难以找到自己的舞台,只能在市场的夹缝里求生存。

老牌的硅光子公司 Kotura 就在这种艰难处境中摸索前行。

”当时糟糕极了,没有人相信硅能够成功,我们的产品也没人感兴趣。我们只能到处找人合作,做一些配件给别人用“,多年以后 Kotura 公司的董事安德鲁.里克曼回忆道。

里克曼口中的配件,是指 Kotura 一度作为重点产品开发的硅基可调衰减器芯片,这是一种纯无源光器件。因为硅光子技术还不成熟,Kotura 只能从简单入手,求得生存的机会。

 

Kotura 的多通道可调衰减器

与此同时,国内也有一家企业 SiFotonics 开始了硅光的道路,但他们选择从接收端入手,研发硅基锗探测器及其阵列。为了寻找市场,SiFotonics 的 CEO 潘栋博士遍访了国内外光电公司,希望找到合作伙伴使用其探测器芯片。无奈当时硅基芯片的性能仍然落后于主流的磷化铟器件,结果自然是应者寥寥。

虽然英特尔的研究成果已经发表了几年,鼓舞了硅光阵营的士气,但风暴的形成尚需要时间。而在这漫长的沉寂期,坚持还是离开,成了硅光从业者们每天的自我叩问。

风暴骤起

还是英特尔,2010 年 7 月 28 日,距离磷化铟与硅基的混合集成激光器首次发表已经过去了四年,这一次,英特尔带来了“全球首个集成激光器的端到端硅基光数据连接”。这项成果的重大意义在于终于“证明了未来计算机可以使用光信号替代电信号进行数据传输”。

这一次英特尔已经不是唯一投入硅光的巨型科技公司了,几乎同时蓝色巨人 IBM 也发布了芯片级硅光互联技术。硅光大佬 Luxtera 也在不断提交自己的硅光量产成绩单。许多从业者都承认,正是英特尔当年发表的成果激励了他们进入硅光领域的信心,因为其首次证明了硅能够在光子集成上发挥作用。这些跟进者的努力经过了数年的演进,终于要酿成席卷全行业的风暴了。

2011 年 1 月,连接器大厂 Molex 收购 Luxtera 的有源光缆业务,并开始由后者为其提供硅光子芯片作为光缆收发器核心。

2013 年 9 月,英特尔和康宁宣布使用硅光技术,在 300 米之内可以做到 1.6Tb/s 的惊人速度。

2013 年 11 月富士通宣布,通过与英特尔的大力合作,成功打造了全球第一台基于英特尔硅光子核心的服务器。

2014年12月,华为与纳米研究中心——比利时的微电子研究中心联合宣布,聚焦于硅基光学数据链路技术。

不仅仅是实验室的突破,硅光产品的量产和市场销售也同样捷报频传。

2012 年 Luxtera 宣布已发售 100 万个单位通道速率为 10Gbps 的硅光子芯片。

2013 年英特尔推出采用硅光子技术的有源光缆。

2014 年 Acacia 的硅光产品销售额达到 1.462 亿美元,同比增长了 88.3%。

从这一年后,每年都有 15 到 20 家以硅光子为主要业务的初创公司成立(仅欧美地区)。

尽管硅光子刮起的风暴已经到了让人无法忽视的程度,但传统的根基依然是强大的,在风暴未及的地方,人们依然继续着自己的步伐。

2010 年,张志利的 Splitter 芯片开始给客户送样,随后进入小批量供货阶段。同时,他还宣布了阵列波导光栅(AWG)的开发计划。

2012 年,Onechip 公司推出基于磷化铟的单片集成 40G 和 100G 接收模块,开始送样测试。

2013 年,该公司进一步推出 100G 光互连的收发器整体解决方案。

同时,张志利的工厂开始批量生产 Splitter 芯片,虽然市场价格比早先预计地更快下落,但利润还是有的,更重要的是,他成功建立了一条从研发到量产的二氧化硅工艺线。有了这条工艺线,他就能开拓更多高利润的产品。

门口的野蛮人

颠覆性的力量往往来自城墙之外。门口的野蛮人磨刀霍霍,收割的时候就要到了。

如果说有什么力量能够短时间内打破技术藩篱,席卷整个行业的话,毫无疑问就是金融资本了。

硅光终于引起了资本的注意。硅天生带着半导体产业的成功光环,给了资本们足够的想象空间。如今,上有英特尔,IBM 等大佬的背书,下有创业公司的抢进,投资家们也坐不住了,开始源源不断地将资金输送进来。这一场风暴,终于演变成席卷之势。

2015 年 SiFotonics 获得 1100 万美元 C 轮融资,一年后其硅光探测器出货量突破 100 万颗。

2017 年新兴硅光创业公司 Acacia 在纳斯达克上市一年后发布了首份年度财报,年营收 4.78 亿美元,增长率 100%。

据调查,2017 年关于硅光领域的全球总融资额已经突破了 20 亿美元,而且大有继续攀高之意。

在资本的激励下,创业者们展开了充分的想象。从无人驾驶的激光雷达,到体感游戏机的三维感测,都把硅光作为技术卖点宣传。一时间,硅光成了无所不能的神奇技术,不管是工业传感还是消费电子,硅光都即将要复制半导体的辉煌了。

而到了此刻,一直在观望的半导体大佬们,也要闯进门来了。

先是意法半导体与 Luxtera 合作量产硅光 PSM4 100G 光模块。随后,台积电也宣布支持硅光子的流片和代工。加上英特尔本来就是半导体业的王者,可以说,半导体行业正在大举涉足硅光领域。

围绕硅这样一种原子外层有 4 个电子,导电性介于导体和绝缘体之间的材料,全世界最活跃,最创新的商业机构,和几乎所有的科技行业都关联到了这个庞大的利益圈中。硅光子如今已不再是光电行业独自培养的果实,它已被整个硅阵营视为下一代半导体的接班人,想停下脚步都不可能了。

命运各自飘零

硅光子的狂飙突进,已经横扫过光电行业的每一个角落,而我们故事的主人公再也不能岁月静好了。

由于 Splitter 价格的快速下降,加之光纤到户市场的增长势头放缓,张志利的投资人失去了信心。后续的投资不能到位,原定上马的波导光栅,混频器等项目也就无法量产,公司财务状况迅速恶化。2015 年,在投资人的运作下,公司资产被出售,张志利,以及他的创始团队,全部解除了职务。之后,他听说那两个投资人转头去投了国内一家做硅光的创业公司。

“我不认为当初选择二氧化硅的道路是错误的,这是当时最明智的做法。后来的进展也都在我的预料当中,只是不知道为什么,我失败了。”张志利向很多人说出了他的困惑,与他有同样困惑的是诺基亚的 CEO 奥利拉,在企图借 Lumia 手机翻身失败后,这位以工作勤奋著称的 CEO 发出了同样的诘问。

而故事的另一个主人公 – Onechip 公司,在 2013 年发布了 100G 收发器后,便消失在公众视野中,等到再有新闻出来,却已是一年后的关闭通告。

Kotura 显然等来了好时候,自 2013 年被 Mellanox 收购后,Kotura 连续向市场推出了应用于数据中心光互连的多种硅光子模块。公司 CEO 让 - 路易斯·马林格不仅在合并后继续留任,还成为了风投机构 ARCH Venture 的投资合伙人。

逆势而行的“勇者”

 

罗伯特.格罗德教授显然对记者的问题早有准备。在 2017 年西安国际光电子集成论坛上演讲完后,格罗德接受了媒体的采访。第一个问题不出意料地是为何他认为磷化铟集成仍然大有前途,因为在论坛上,与一边倒的硅光派声音不同,格罗德教授为磷化铟阵营发出了呼声。

“磷化铟的路线是自然的路线。三五族材料是目前唯一可以制作半导体激光器的材料,也是可以实现完全集成的材料。相比之下,硅光子虽然号称可以和 CMOS 工艺兼容,但也只是个利基市场,不能和集成电路相比。而硅光技术所谓的成本优势,根据推算只有当产量达到一定程度才能体现。这个量绝不是一两年能达到的。”

格罗德教授不仅言论上站在磷化铟阵营,更付出了实际的行动。

在欧洲,教授领导了磷化铟集成平台 JePPIX,以整合欧洲的磷化铟社区,打造通用的晶圆厂 Foundry,PDK,工具库和软件。为全球磷化铟开发者提供代工支持。

在中国,格罗德积极推广他的磷化铟集成理念,向开发者推销旗下的技术服务。

如果说,硅光刮起的风暴正在横扫光电子业界的话,那么抱团取暖显然是磷化铟阵营最明智的选择。只是这份坚守,究竟是勇者的无畏还是迂腐的顽抗,只能留给后人评判了。

谁是赢家

硅光阵营相信自己已经赢得了光电子集成技术的竞争,未来一统光通信指日可待,而且很快还将扩展到传感,消费电子等更加广阔的市场。但无数的历史事例已经告诉我们,一旦启动了齿轮,传导的力量将奔向难以预料的方向。硅光的成功,不等于硅光行业的成功,尤其当半导体业界的力量进入硅光的时候。

半导体行业体量巨大,产业链分工完善而高效。基于共同的工艺基础,和对下一代半导体与光子结合的期待,半导体的巨头们越来越深入地介入到硅光的发展历程中来。这种由巨头推动的发展模式,必然会引入他们的规则和经验。可以想见,未来的硅光行业一定也是像今日之半导体一样,形成 Fabless 的设计公司,代工的 Foundry,和封装测试工厂并立的格局。

既然硅光与硅集成电路共享工艺平台,那么毫无疑问今天的台积电,中芯国际之类的制造工厂将来必然承担起硅光子的制造业务。而两者在封装和测试方面虽然不完全相同,但经过改造的,拥有大批量生产经验的半导体封测厂显然是硅光产品更适合的供应商。在此局面下,硅光现今的从业者或许只剩下在芯片设计上的独享地位了。

硅光的兴起来自于光电行业需求的驱动,也主要是由光电子企业在推动。以至于我们一直从光的层面来理解它,把它看成只是一种光电子集成方案。但是当硅光越来越接近半导体的时候,硅光的本质也发生了变化,它成了半导体突破自身物理限制,继续摩尔定律的手段,在这个意义上,硅光其实是半导体侵入了光电子的领地,是“电吃掉了光。”

毕竟,硅光的启动者,那个一手推动了硅光子走向繁荣的英特尔,首先是个半导体企业。