根據世界半導體貿易統計組織（WSTS）的數據，2024年全球半導體銷售額達6276億美元，同比增長19.1%，這是全球半導體銷售額首次突破6000億大關。背后增長的動力，主要來自AI及相關產業的促進。這其中包括了云端AI，同樣也包括了邊緣AI。

僅就云端市場而言，以ChatGPT和DEEPSEEK等為代表的AI應用深入人心，也給半導體市場注入了全新的活力，受益最大的當屬計算和存儲器等與訓練強相關的技術，但正如意法半導體（ST）射頻與通信子產品部副總裁Vincent FRAISSE所說，云計算對半導體的需求包括四要素：計算、內存、電源、互聯，無論哪項技術，都影響著數據中心的未來。在四大要素中，ST將電源和互聯技術作為公司云計算業務的兩大關鍵支柱，這兩項關鍵技術同樣是可以解決數據中心在高性能和更高能源效率方面所面臨的挑戰。

在電源管理方面，ST可以提供包含控制器，信號鏈，以及碳化硅、硅、氮化鎵在內的功率器件，實現了高效的電源轉換系統，可以極大降低數據中心的能耗損失。

而在互聯方面，ST日前宣布了新一代硅光技術和下一代 BiCMOS專有技術，利用更出色的連接性能，以滿足即將到來的800Gb/s 和 1.6Tb/s 光互連應用需求。Vincent FRAISSE也對此給與了深度解讀。值得注意的是，ST的新技術不止是面向可插拔光模塊，該技術同樣可滿足未來CPO（共封裝光學）以及LPO（線性驅動可插拔光模塊）的演進需求。

光模塊的演進趨勢

可插拔光模塊主要功能是實現光電信號的相互轉換，并實現信號在光纖中的傳輸，從而連接起數據中心網絡，這是數據中心搭建的關鍵連接技術。可插拔光模塊中的成本大部分是半導體元件，占據了80%以上，在這其中又以光電轉換相關占據了主要成本。收發器包括了激光器光源、用于控制的MCU以及光引擎，有時還包含一個信號均衡處理的 DSP。其中光引擎是最主要也是最復雜的結構，由兩部分組成。一部分是電子集成電路（EIC），包括了跨阻放大器、光源驅動、電源管理等等功能組件，另外一部分是光子集成電路（PIC），它負責實現光電信號的轉換，包括了光調制器、接收器等。

光模塊的構成

近年來，隨著AI 與數據中心的爆發式增長，尤其是大模型訓練和 AI 推理對數據傳輸速率、帶寬和功耗提出了極高要求。例如，單個 AI 服務器集群需處理 PB 級數據，傳統銅纜和光模塊的傳輸速度（如 100G/200G）已無法滿足需求，業界越來越趨向于使用硅光技術（SiPho）。“數據中心端口數量日益增長，同時端口的傳輸速度也在不斷的提升，今天的速率是 800Gbps，未來將會達到3.2 Tbps，這趨勢將會讓網絡迎來十年增長期。”FRAISSE斷言道。

可插拔光模塊、NPO以及CPO形態示意圖

根據 Effect Photonics 的數據，盡管可插拔模塊的功耗自 2010 年以來穩步下降，但自 2022 年以來功耗不降反增，這主要是因為隨著帶寬的大幅增加，控制溫度變得更加困難。無論是對于PIC還是EIC而言，都需要更先進的工藝和架構，降低系統能耗。

“與EML/VCSEL調制器技術相比，SiPho硅光技術的傳輸距離更長，同時其性能更高，可以實現更高的傳輸速率和能耗優勢。”FRAISSE表示。

FRAISSE援引了LightCounting的數據，數據顯示100GbE以上的場景中，SiPho的增長率要遠高于傳統光電轉換，而到了2029年，CPO也將會有一席之地。

如圖所示，SiPho技術顯然要優于傳統的VCSEL/EML。隨著傳輸距離的增加以及傳輸速率的提高，SiPho將越來越有優勢，這也是眾廠商達成的一致預言。“從本質上來說，SiPho的優勢在于其緊湊性和集成性。”FRAISSE解釋道，“SiPho能夠將接收器和收發器集成到單個集成電路中，包括收發器的調制器以及接收器的光電二極管，另外還包括復用器（MUX）和解復用器（DMUX）等。”

“無論是對于可插拔式光模塊還是CPO光模塊， 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。”FRAISSE說道。

對于連接而言，ST提供了PIC和EIC的全套代工方案，ST微控制器、數字IC和射頻產品部總裁 Remi El-Ouazzane在一份聲明中指出：“現在正是 ST 推出新的高能效硅光技術以及新一代 BiCMOS技術的好時機，因為這兩項技術能夠讓客戶設計新一代光互連產品，為云計算服務運營商提供 800Gbps/1.6Tbps的光互連解決方案。這兩項技術是客戶光模塊開發戰略中的兩個關鍵器件，擬在ST的歐洲300 毫米晶圓廠制造，并作為獨立的廠家為客戶大批量供貨。”

新一代硅光技術PIC100

FRAISSE表示，早在十年前，ST就開始探索硅光技術市場，但是，由于當時市場尚未成熟，并不適合量產。得益于ST現有的 CMOS 的光刻技術，以及在使用絕緣體上硅（SOI）襯底方面的經驗，ST日前推出的PIC100技術，這是目前市場上唯一的能夠支持 300毫米晶圓的單通道 200Gbps的純硅技術平臺，并且能夠確保其良率達到 CMOS的良率水平，根據ST官方數據，良率已經達到90%，超過了200mm晶圓。

ST的PIC100通過多項技術創新，實現了高達200Gbps的傳輸速率。

PIC100具有同類最佳的硅波導損耗，低至 0.4dB/cm，氮化硅波導損耗低至 0.5 dB/cm。此外，PIC100 還提供帶寬為 50 GHz 的 Mach-Zehnder 調制器 (MZM) 和高達 80 GHz 的高速光電探測器。

另外，PIC100 采用了全新的材料堆疊，實現光纖與 PIC 的高效邊沿耦合，取代了傳統的光柵垂直耦合技術，這減少了系統損耗。光柵垂直耦合技術的確是由于允許晶圓級測試并提供更靈活的放置，可以節約測試和初始對準的成本，然而，由于散射較大以及耦合器與光纖之間的不匹配程度較大，會影響帶寬和損耗。邊緣耦合器性能更優，具有更低的損耗和更寬的頻帶，但工藝復雜且對準要求高，PIC100的通過邊沿耦合，更好地將光纖模式與片上 SiN 波導匹配，實現了低于 1.5 dB的損耗。

據悉，ST已經和AWS簽署了一項合作協議，AWS 深度參與到了 PIC100 的開發當中，并且在 PIC100 進入到實際生產階段之后，該技術已經部署到了 AWS的基礎設施當中。AWS副總裁、杰出工程師Nafea Bshara也表示：“基于ST所呈現的工藝能力，使得PIC100 成為光互連和 AI 市場上先進的硅光技術，AWS決定與ST合作。我們對這將為這項技術帶來的潛在創新充滿期待。”

新一代電芯片工藝

在EIC方面，ST已經為客戶提供 BiCMOS 技術已經有超過十年的歷史，有超過20家客戶選擇了ST的BiCMOS工藝。配合ST的PIC100新品推出，其也升級了最新的BiCMOS工藝B55X。B55X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 以及包括下一代的400Gbps，其都是理想的技術選擇。

FRAISSE指出，B55X出色的線性度對于LPO而言也是理想之選，這種線性可插拔光模塊適用于低功耗且低成本的光收發器，可以省去DSP，實現更低的功耗和延遲。

根據ST的官方數據，與僅使用PIC100和競爭對手的BiCMOS的系統相比，同時使用PIC100和B55X應可將效率提高約15%。

面向未來的CPO

CPO通過將網絡交換芯片與光模塊共封裝，縮短信號傳輸距離，提高傳輸速度，同時減小尺寸、降低功耗。具有高速率傳輸（支持 800G、1.6T 甚至更高速率的傳輸需求）、低功耗（相比傳統光模塊，可降低 50% 的功耗）、高集成度（采用 2D、2.5D 和 3D 封裝技術，實現更緊湊的封裝）等優勢。

FRAISSE也看到了這種趨勢，并表示，未來隨著光到光（OIO）技術的演進，需要密集型調制器來實現緊湊的結構，以及定制化的EIC解決方案以提升性能并進行優化。為此，ST正在開發硅通孔 (TSV) 和緊湊型調制器技術，從而不斷提高集成密度，以迎接CPO時代的到來。

同時，ST也在開發400Gbps/通道的PIC，滿足未來更高速率傳輸的需求。

提供全產業鏈整合

FRAISSE表示，除了先進的硅光和 BiCMOS工藝技術之外，ST還提供了芯片設計、封裝測試等在內的全方位服務，能夠幫助硅光技術不斷演進。

“我們不會開發自己的產品，以免與客戶形成競爭關系。”FRAISSE強調道。根據預測，BiCMOS和硅光相結合的代工市場總規模預計達到 20 億美元。

SiPho發展任重道遠

SiPho技術正在快速演進，其已成為AI時代不可或缺的關鍵，但是在成本上還處于相對劣勢。

今年一月，英偉達CEO黃仁勛在一次演講中提到，盡管英偉達正在開發SiPho技術，但短時間而言，銅互連技術仍具備成本優勢，尤其是在短距離傳輸中。

對此，FRAISSE表示，銅纜的連接不夠緊湊，因此系統未來的性能增長會直接受到每機架上可以放置的銅纜數量限制。而光纖本身就比銅纜小很多，而且吞吐量更大，也更緊湊，所以，ST相信未來會更多的使用到光纖互聯。

也正因此，ST的300mm晶圓代工，可以極大降低開發成本，并通過創新的PIC100和BiCMOS增進系統性能，從而提升云計算的體驗。“我們深信，在不斷加速的 AI 基礎設施發展的新時代，所有的元素都可以通過光連接的方式來進行互聯。”FRAISSE說道。“在未來幾年，SiPho將在收發器市場中占據最大份額，甚至有可能會擠占用于GPU的短距離銅纜連接的市場份額。”