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【產業趨勢】中美發展半導體新戰場 台廠搶進矽光子供應鏈
發佈時間2022.11.19 05:58 臺北時間
更新時間2023.09.12 20:44 臺北時間
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- 繪圖｜王聖光
美國全面封殺中國半導體產業，刀刀見骨，今年10月禁令一出，中國半導體設計、製造量能都被美方重創，不但先進晶片、半導體設備進不了中國，連美國公民未經許可，也不得協助中國研發或製造先進晶片，充滿肅殺氣氛。
不過，中國可不打算束手就擒。本刊調查，中國正全面投入矽光子晶片領域，期望藉此突圍美國禁令。台灣方面，台積電、日月光、聯亞與奈微光等業者，均已默默耕耘矽光子領域多年，兩岸半導體業者未來將再度狹路相逢。
一年一度半導體盛會SEMICOM TAIWAN，正逢美中科技戰逐漸進入白熱化的階段，日月光半導體執行長吳田玉，在線上會議點名數個未來潛力市場，一個陌生的名詞「矽光子」映入眼簾，引發眾人滿滿好奇心。然而，矽光子在中國早就受到關注已久。
小辭典矽光子
矽光子（Silicon Photonics）就是將原本在晶片裡面跑的「電訊號」，改為用「光訊號」來運作，形成的光電整合平台，又稱光積體電路。可沿用既有的成熟製程與機台打造，透過低成本方式實現複雜光電系統與功能，現已大量應用於資料中心，未來還可用於生物感測、自駕車光達、AI、量子運算等領域。
中國搶先機 拚逆勢突圍
「中國投入矽光子研究已經很久了，而且投入的資源滿多的，在西安、上海等地都已形成矽光產業聚落，比台灣更早跨入這一塊研究領域。」中山大學光電工程學系教授洪勇智直言。
他投入矽光子研究多年，發表逾200篇的國際期刊與研討會論文，並獲得11件專利核准，洪勇智分析，美國禁令大多為限制EDA（電子設計自動化）工具和先進製程，對矽光子影響不大。而中國看準矽光子與微電子電路本質上的差異與優勢，認為將來市場會越來越大，在沒有美國箝制的情況下有機會成功，所以投入許多資源。
矽光子究竟是什麼呢？洪勇智解釋，矽光子是一個光與電整合的平台，可沿用既有晶圓廠的成熟製程與半導體機台，大量且便宜地製造出複雜的光電積體電路單晶片，被製程落後國際水平的中國半導體業者，視為反撲、超車的契機。
洪勇智舉例，資料處理中心的光收發器模組，過去要用人力將一個一個不同的零件組（如雷射、檢光器、分波多工器等）組裝在一起，很吃人力成本；反觀矽光子則直接將所需的光電元件整合在單一矽晶片中，不但可大幅降低組裝成本，良率也高出許多。
根據產業研究機構Yole預測，2021年矽光子晶片產值約1.51億美元，2027年將成長至9.72億美元，年均複合成長率（CAGR）近36％，其應用範圍涵蓋5G、資料中心、生物感測、量子電腦或消費性醫療等領域。
華為釀實力 併購歐公司
「中國絕對有能力做出矽光子，只是現在製造端只能依賴中芯。」洪勇智表示。但他認為，即便矽光子在製程技術沒有太大難度，仍算新研發技術，需同時考慮到光、電的特性，不像以往只需注意電阻電容值，現在也要考慮光的吸收狀況，設計思維完全不同。
洪勇智進一步分析，現在中國矽光子產業發展大多以IC設計為主，製造力較薄弱，加上受到美國禁令影響，晶圓廠都很怕受到制裁，特別是EDA工具和材料都掌握在美、日二國手中，單純就製造端來說，現階段的確有些卡關的疑慮。
即便如此，洪勇智仍大膽預言：「中國若要擺脫禁令限制，矽光子仍比7奈米、3奈米容易得多，因為他們武器（設備）都有了，不難打仗。」他更透露，德國和中國關係不錯，且德國也有一些矽光子能力，即使是小晶圓廠也能協助中國打造矽光子晶片。
值得注意的是，10年前，華為就悄悄併購英國CIP Technologies和比利時Caliopa二家矽光子公司，不動聲色地醞釀實力。「美國對中國的禁令管制，潛在的破口會是歐洲。」工研院產科國際所研究總監楊瑞臨一語道出他的觀察。
投入矽光子 神山不缺席
美國禁令讓中國不得不拿出矽光子這個祕密武器，然而，有護國神山台積電的台灣半導體也非等閒之輩，台積電早在2017年就鴨子划水，和中山大學積體光電元件實驗室合作，簽訂8年矽光子合作計畫。
洪勇智表示，台積電決定投入矽光子時，內部有不少雜音，畢竟其晶片設計概念完全不同，而且開發初期的市場定位尚不明確，由於所知有限，幾乎是從頭學起。
透過產學合作，台積電與中山大學共同開發矽光子關鍵元件設計能力，近幾年也加強對該領域的投入力道，如今已有近10位中山大學畢業生順利進入台積電矽光子研發部門工作，成為生力軍。
除了中山大學，為因應下世代網通技術的節能要求，台積電也與日月光合作，共同打造用於矽光子晶片的光學共同封裝元件（CPO），並拿下國際一線品牌客戶的訂單。對此，日月光副總經理洪志斌表示，客戶產品開發時程恕無法評論，不過CPO產品今年下半年的確陸陸續續會有相關工程樣品及量產產品出貨。
業界人士表示，就應用端而言，資料中心將是矽光子的主戰場，Google和Meta等網際網路相關科技大廠因此紛紛砸重金投入。與此同時，許多網通大廠也透過收購強化矽光子技術，如思科（Cisco）收購矽光子晶片領導廠商Luxtera，而Luxtera已與台積電合作，將使用七奈米製程生產矽光子晶片。
隨影音串流以及虛擬實境（VR）／擴增實境（AR）等應用持續導入，過去以銅線做為資料中心傳輸的介質恐不敷使用，將大量轉用光來取代。
龍頭英特爾 市占逾五成
洪志斌以網際網路數據的成長舉例，近5年內IP traffic（網路流量）至少成長3倍，Mobile traffic（行動裝置流量）至少成長6倍，預計頻寬與儲存需求只會逐年增加，意味著人們需要更進步的資料中心，也就是更節能、更低成本、更高效率的資料中心。
放眼全球市場，英特爾（Intel）應是最先量產矽光子的業者，Yole報告指出，2021年英特爾的矽光子市占率高達58％，獨占鰲頭。
「英特爾矽光子收發器至今已出貨超過600萬顆，主要用於超大規模雲端服務供應商資料中心。」英特爾網路與邊緣運算事業群營運長Hong Hou表示，並補充說明，部分需要高頻寬、低功耗應用的場域，將是矽光子可以發揮所長的領域。譬如未來的光學運算互連小晶片（Optical Compute Interconnect Chiplet），將在CPU、GPU和記憶體等運算資源之間，提供具能源效率、高效能的多Tb/s互連。
Hong Hou私下透露，英特爾正與Mobileye團隊進行合作，在光達（LiDAR）應用方面使用矽光子晶片。
奈微光發功 研智慧手錶
矽光子的好處不僅僅體現在資料中心與高速運算上頭，在健康醫療方面，矽光子可以藉由將光照射到組織和血管上，量化生物標記，創造出無侵入式的醫療監測解決方案。這樣的技術特性，吸引對健康醫療關注許久的蘋果（Apple）目光，早在2017年蘋果就看上英國新創公司Rockley，為自己在智慧醫療領域取得有利位置。
Rockley將旗下矽光子感測器稱為「腕上診所」，能實現監測血糖、血壓，甚至是酒精濃度等功能。想像一下，未來手錶將不只是手錶，還能隨時監測許多生理功能。熟悉矽光子產業的專家推測，蘋果下一代智慧手錶，可能就會搭載矽光子技術，大家不妨拭目以待。
緊隨國際大廠腳步，台灣矽光子半導體產業鏈也逐漸成形，製造端有台積電與日月光，而IC設計則由奈微光一馬當先。
與蘋果英雄所見略同，奈微光在創立之初就看好矽光子感測器在手錶上的應用，著手研發相關技術，並於日前順利量產首款具備血氧、血壓、心律、溫度等四合一功能的偵測晶片，體積僅有米粒大小，適合搭載在智慧手錶中。
「現在除了蘋果導入溫度感測功能外，就只有奈微光在手錶內加上溫度感測功能。」奈微光共同創辦人暨技術長林清富興奮地表示，他說，新冠疫情發生後，量體溫已成例行公事，此時在手錶加上溫度感測功能後，就能直接偵測出人體真實溫度，隨時記錄體溫變化。
半導體加持 台後起直追
林清富進一步指出，目前市面上的智慧手錶已有血壓、血氧與心律等功能，取代意義不大，但是矽光子的優勢就是可在一樣的成本造價上增添功能，藉此提升產品附加價值。
回首當年，奈微光共同創辦人暨策略長陳孝昌充滿感觸地說：「真是一部悲慘創業史。」一開始每個月都要燒掉200萬元，只好四處籌錢，幸而獲中華經濟研究院副院長王健全等人投資，度過難關。「那時候大家還沒很看好，Edison（陳孝昌）為了省錢，常約我吃關東煮討論工作。」王健全打趣地說。
隨著技術逐漸到位，相關應用陸續起飛，奈微光營運出現轉機，募資也更加順利。林清富語氣堅定地說：「矽電子（積體電路）和矽光子就猶如半導體的屠龍刀和倚天劍，江湖中勢必人人爭相搶奪。」
大數據資料爆發，資料中心高速運算、高速傳輸建置迫在眉睫，更加確立矽光子發展潛力。專家表示，目前矽光子雖仍處萌芽階段，且美、中搶先台灣開跑多年，但台灣半導體供應鏈與基礎不容小覷，在這場「光速」對決中，誰能成為最後贏家，還很難說。