矽光子

矽光子

來自 數位時代 的圖片

矽光子，矽光子技術泛指將許多分立的電子元件與光學元件，利用成熟的矽晶圓與半導體製程，做成微型化的晶片，取代傳統光收發模組，主要應用在資料中心做短距離傳輸資料。矽光子是一種積體「光」路，就是把光路微縮起來，變成一片小小的光IC晶片。如果你在顯微鏡下觀看一片矽光子晶片，你會看到很多複雜的線路。這些不是電線喔，而是一種可以導光的線路，叫作光波導。光就在這些光波導的線路中傳來傳去。

一般的電路板上，佈滿許多由銅線製程的電路，當中的電子便會循著這些銅製電路前行來傳遞訊號。矽光子則是改由「光子」取代大部分的電子訊號做傳遞，由於光子速度比電子快，又較不易產生熱能，可達到更好的傳輸效果。

要怎麼把電子改成光子呢？實際上現行伺服器的外殼後端，可插入一個光電訊號轉換器模組，可稱為「光收發器」。電子走到伺服器尾端進入這個模組後，訊號就會由電子轉成光子，隨後光子便會沿著如光纖這樣的光波導材料，帶著訊號傳遞出去。過去電子會從晶片出發，藉由用銅線走到伺服器尾端的光收發器才轉成光。

這項技術已存在多年，如今台積電要做的，便是將收發器內負責將光訊號轉成電訊號的模組，和晶片運用先進封裝整合在一起，做成矽光子。像這樣將光電整合模組和晶片封裝在一起的技術，稱之為CPO（Co-Packaged Optics）。

做成矽光子後，電子一出發就會進入訊號轉換處變成光子，無需等到伺服器尾端才做轉換，減少電子走銅導線的距離，後段則全都由光子來傳送，讓晶片無論在效能還是功耗上的表現都能進一步升級。

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矽光子晶片有什麼用途呢？

一片晶片就可以包含很複雜的光路，可以把原本很龐大的光學系統，變成像指尖那麼大。例如有一種叫做光學收發器(Optical transceiver) 的晶片，可以用來把電訊號和光訊號之間互相轉換，現在就大量使用在數據中心中。矽光子晶片還用於光學雷達 (LiDAR, 也有人稱光達) 、生醫感測、量子光學、人工智慧、超大規模數據中心、高性能計算 (HPC)需要複雜光路的地方。

矽光子晶片還有什麼優點呢？

除了把龐大的光學系統微縮成小小的晶片，矽光子晶片還有很多優點喔！由於矽光子晶片的製造方式和積體電路是一樣的，製造技術非常成熟，可以用很便宜的價格量產大量的晶片，而且性能比傳統光學系統更可靠。因為晶片中可以用大量的元件組成複雜光路，比傳統光學系統更能執行繁複的功能喔！

半導體是AI關鍵推動力 矽光子將成重要技術

矽光子及共同封裝光學元件（CPO）近來成為業界新顯學，不只國外大廠英特爾、輝達、博通紛紛布局，台積電、日月光也全力搶進。

AI快速進展，台積電董事長劉德音表示，10年內，AI需要上兆電晶體的繪圖處理器(GPU)，GPU裝置數量將是當今典型裝置數量的10倍。半導體技術是AI新能力和應用的關鍵推動力，而矽光子將成為半導體最重要的技術之一。

劉德音與台積電首席科學家黃漢森，共同於國際知名的電機電子工程師學會(IEEE)發表文章「How We'll Reach a 1 Trillion Transistor GPU」，強調先進半導體正在推動人工智慧的繁榮。

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點亮半導體的未來：台積電矽光子(Silicon photonics)及共同封裝光學(CPO)的發展現況