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矽光子

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矽光子，矽光子技术泛指将许多分立的电子元件与光学元件，利用成熟的矽晶圆与半导体制程，做成微型化的晶片，取代传统光收发模组，主要应用在资料中心做短距离传输资料。矽光子是一种积体“光”路，就是把光路微缩起来，变成一片小小的光IC晶片。如果你在显微镜下观看一片矽光子晶片，你会看到很多复杂的线路。这些不是电线喔，而是一种可以导光的线路，叫作光波导。光就在这些光波导的线路中传来传去。

一般的电路板上，布满许多由铜线制程的电路，当中的电子便会循著这些铜制电路前行来传递讯号。矽光子则是改由“光子”取代大部分的电子讯号做传递，由于光子速度比电子快，又较不易产生热能，可达到更好的传输效果。

要怎么把电子改成光子呢？实际上现行伺服器的外壳后端，可插入一个光电讯号转换器模组，可称为“光收发器”。电子走到伺服器尾端进入这个模组后，讯号就会由电子转成光子，随后光子便会沿著如光纤这样的光波导材料，带著讯号传递出去。过去电子会从晶片出发，借由用铜线走到伺服器尾端的光收发器才转成光。

这项技术已存在多年，如今台积电要做的，便是将收发器内负责将光讯号转成电讯号的模组，和晶片运用先进封装整合在一起，做成矽光子。像这样将光电整合模组和晶片封装在一起的技术，称之为CPO（Co-Packaged Optics）。

做成矽光子后，电子一出发就会进入讯号转换处变成光子，无需等到伺服器尾端才做转换，减少电子走铜导线的距离，后段则全都由光子来传送，让晶片无论在效能还是功耗上的表现都能进一步升级。

矽光子晶片有什么用途呢？

一片晶片就可以包含很复杂的光路，可以把原本很庞大的光学系统，变成像指尖那么大。例如有一种叫做光学收发器(Optical transceiver) 的晶片，可以用来把电讯号和光讯号之间互相转换，现在就大量使用在数据中心中。矽光子晶片还用于光学雷达 (LiDAR, 也有人称光达) 、生医感测、量子光学、人工智慧、超大规模数据中心、高性能计算 (HPC)需要复杂光路的地方。

矽光子晶片还有什么优点呢？

除了把庞大的光学系统微缩成小小的晶片，矽光子晶片还有很多优点喔！由于矽光子晶片的制造方式和积体电路是一样的，制造技术非常成熟，可以用很便宜的价格量产大量的晶片，而且性能比传统光学系统更可靠。因为晶片中可以用大量的元件组成复杂光路，比传统光学系统更能执行繁复的功能喔！

半导体是AI关键推动力 矽光子将成重要技术

矽光子及共同封装光学元件（CPO）近来成为业界新显学，不只国外大厂英特尔、辉达、博通纷纷布局，台积电、日月光也全力抢进。

AI快速进展，台积电董事长刘德音表示，10年内，AI需要上兆电晶体的绘图处理器(GPU)，GPU装置数量将是当今典型装置数量的10倍。半导体技术是AI新能力和应用的关键推动力，而矽光子将成为半导体最重要的技术之一。

刘德音与台积电首席科学家黄汉森，共同于国际知名的电机电子工程师学会(IEEE)发表文章“How We'll Reach a 1 Trillion Transistor GPU”，强调先进半导体正在推动人工智慧的繁荣。

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点亮半导体的未来：台积电矽光子(Silicon photonics)及共同封装光学(CPO)的发展现况