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台積電強攻 矽光子、CPO技術是什麼?相關概念股一表看!

「矽光子整合」一躍成為市場當紅炸子雞,到底矽光子、CPO技術是什麼?圖/freepik
「矽光子整合」一躍成為市場當紅炸子雞,到底矽光子、CPO技術是什麼?圖/freepik

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生成式AI市場熱絡,帶動半導體產業對提高晶片運算能力、高速傳輸效率需求,台積電總裁魏哲家於北美技術論壇分享矽光子(SiPh:Silicon Photonics)以及CPO(Co-Packaged Optics, CPO)封裝技術,「矽光子整合」一躍成為市場當紅炸子雞,到底矽光子、CPO技術是什麼?可以為AI產業帶來什麼樣的變化?相關概念股又有哪些?

本文重點摘要:

  1. 「銅退光進」 矽光子、CPO技術是什麼?
  2. 提高AI運算效率 矽光子優勢與應用
  3. 光通訊、封測扮演關鍵角色 相關供應鏈大盤點

「銅退光進」 矽光子、CPO技術是什麼?

我們所熟知的積體電路是將上億個微電晶體整合到一個小晶片上,進行複雜的運算功能,隨著技術的進步,單一晶片可以容納的電晶體密度越來越高,處理的程序也越來越複雜,但也讓人質疑積體電路上可以容納電晶體的數量是否已經到達物理極限,且因為使用電訊號傳輸,仍有速度和功率消耗以及熱量的問題。

而矽光子是用光來傳輸,可說是一種積體「光」路。光的傳輸距離更遠,而且沒有實體線路的干擾,也就沒有訊號耗損的問題,而且光的傳輸速度也比電更迅速,因此使用「光波導」的傳輸取代銅等金屬線,可以不用再追求更多的電晶體數量、更小的製作節點,就能實現更低的耗損、更高速的效率,甚至於更低的製作成本,但目前光電整合的技術仍有許多困難需要克服。

光電科技工業協進會(PIDA)執行長羅懷家指出,矽光子是利用半導體技術,作出具備光學特性的技術平台,目的是將光、電訊號整合,需要把傳統光學元件,包含光波導、發光元件、收發模組等,全部封裝在一起,因此也會牽涉到異質封裝。

CPO就是搭配矽光子晶片發展的封裝技術,整合光通訊元件與交換器晶片,共同封裝在光引擎模組中,並安裝在同一個插槽上(Socket),達到減少資料傳輸的路徑,並在高速運算下降低功耗與訊號延遲。依據工研院分析報告,在相同的時間下,這項技術能讓資料量傳輸提高8倍,節省50%的功耗與30倍以上的算力。

提高AI運算效率 矽光子優勢與應用

資料中心交換器頻寬需求於 2025 年將達到 51.2Tbps。隨著交換器頻寬需求持續提升,對於光收發器、光子引擎的數量與傳輸速率的要求也持續攀升,將造成交換器內部空間設計與熱管理的高度挑戰,共封裝光學可減少傳輸訊號損失,增加封裝密度、強化熱管理,是可插拔光收發器重要的替代方案。

矽光子光收發器整合矽晶片與光電元件,可隨插即用,將來自資料中心伺服器的電訊號轉換為光訊號,在光纖中快速傳遞。隨著資料中心對於資料傳輸頻寬與傳輸速率需求的持續提升,光訊號傳輸已成為資料中心內部機櫃到機櫃(Rack-to-Rack),以及資料中心對資料中心(Inter-Datacenter)的資料傳輸主流技術。

相關業者認為,矽光子光收發器(Optical Transceiver)將取代離散元件構成之資料傳輸模組,大幅縮減裝置尺寸,同時降低功率耗損。相較傳統30x30公分之100Gbps高速資料傳輸裝置,透過矽光子製程技術製作微小光通訊元件,再整合7奈米先進製程製作的數位訊號處理器,所形成之光收發器,具備體積小、功率低等優勢。

業界人士指出,矽光子將改變雲端產業,隨著通訊傳輸速度提升至1.6T以上,以CPO封裝,把矽光子光學元件及ASIC技術整合為單一模組,可減少功耗問題。惟目前仍有許多瓶頸如晶片良率、標準制定等待解決,預計實際貢獻時間點須等到2025年後。不過,矽光子可應用在通訊傳輸、生醫感測、LiDAR、AI高速傳輸、智慧醫療、自駕車等,想像空間仍大。

光通訊、封測扮演關鍵角色 相關供應鏈大盤點

矽光子供應鏈由絕緣矽SOI晶圓與光電材料晶圓出發,經過產品設計、晶圓製造與封裝後,形成系統產品主要系統業者,如Intel、Cisco、HP、NEC、Fujitsu 等,均切入光收發器產品開發,相較於IDM垂直整合模式,部分的光收發器開發業者必須仰賴晶圓代工廠生產矽光子晶片。

光收發器是目前矽光子最主要產品。業者分析,相關技術持續精進,主流產品的資料傳輸速率已由2016年的100Gbps進步到 2023年的800Gbps,除積極往1.6Tbps研發外,部分台廠也透過併購拓展產品線與強化技術能量,或進行上下游垂直整合。

台廠以台積電馬首是瞻,台積電的緊湊型通用光子引擎(COUPE),提供光子IC(PIC)與電子IC(EIC)異質整合,降低40%的能耗, 可望大幅提升客戶採用意願。

日月光投控及旗下矽品,也投入矽光子、CPO封裝技術研發,已透過VIPack先進封裝平台卡位市場,市場預期2024年下半年相關業務,將開始逐步攀升,而接單動能則將於2025年顯著升溫。

網通大廠智邦則將更多心力放在交換機各零組件的光電整合,將針對ASIC及CPO 光模組整合完成後,再交付下游客戶,於供應鏈中角色吃重。

此外,光收發模組如波若威(3163)、上詮(3363)、訊芯-KY(6451)、前鼎(4908)皆默默在進行;上詮更於近期進行私募,外界猜測將引入大咖進行投資。另外,磊晶製造全新(2455)、聯亞(3081)都可望受惠。

矽光子相關產業鏈

  1. 磊晶製造:聯亞(3081)、全新(2455)
  2. 晶片設計與代工:台積電(2330)
  3. 光收發模組:波若威(3163)、華星光(4979)、眾達-KY(4977)、光環(3234)、上詮(3363)、訊芯-KY(6451)、前鼎(4908)
  4. 交換器:智邦(2345)、明泰(3380)
  5. 封測:日月光(3711)、矽格(6257)、台星科(3265)
  6. 測試介面廠:旺矽(6223)、穎威(6515)
  7. 美股屬於矽光子與網通概念股: Cisco、Intel、Broadcom、Marvell、Nvidia

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