矽光子（silicon photonics）绝非易事，因它是个彻底跨领域的科技，是把光与电放在同一个晶片中进行操控的技术，开发者不仅要熟悉电子学，对於於光子学也要聊若指掌。但是台湾产业界长期以来就只专研於电子，对於光子可以说所知甚少，如何把进度赶上，成为当前半导体产业最重要的课题。

所以对台湾的半导体来说，想要在矽光子这场战役中胜出，若不采团体战（打群架）的方式，获胜的机会可能非常的渺茫。而且这个团战的规模还必须要更深更广，要连同产官学研都一同纳入，且投入的金额与时间也都要更升一级才行。

矽光子具备高速、高效优势 封装为技术瓶颈

工研院电子与光电系统研究所组长方彦翔指出，矽光子技术的优势计有高速、高整合度、低能耗和成本较低等效益。以资料处理中心的光收发器模组为例，过去要以人力将一个个不同的零件（如雷射、检光器、分波多工器等）组装在一起，很吃人力成本；但矽光子则直接将所需的光电元件整合在单一矽晶片中，不但可大幅降低组装成本，良率也高出许多。

方彦翔目前担任工研院矽光子项目的计画主持人，除了领导技术研究，也积极与产业介接，推动矽光子产业的发展。

方彦翔表示，矽光子技术的近期发展跃进除了矽光子元件本身性能的突破外，还包含了光晶片的封装、量测与模组整合等。随着矽光子技术逐渐成熟，更多注意力被放在开发先进的封装技术，以实现高密度和高可靠性。而先进封装技术能够在微小的体积下整合多个元件，同时确保优异的散热和光学性能，目前国际的发展趋势更加强调系统整合、多功能性和应用的多样性。

图一 : 矽光子具有高速、高整合度、低能耗和成本较低等效益，成为当前AI运算应用的关键解方。图为imec的矽光子原型晶片。（source：imec）

而矽光子技术之所以能够在近期有所突破，其中最大的成长驱力就是在於日益成长的高速数据传输和处理需求。而传统的方式已经达到瓶颈，无法满足这种迅速增长的需求，特别是AI应用的崛起，更加剧了此一需求的发展，尤其是在资料中心应用方面。

方彦翔解释，矽光子技术是基於矽材料将光子和电子相结合，能在晶片上实现高速、高频宽的光通讯和光电子学功能。这种技术能够提供更高的传输速度、更低的能量消耗及传输损耗，从而实现更高效的数据传输和处理能力。因此，矽光子技术被视为解决资料中心和高性能计算系统面临的数据传输瓶颈的关键技术之一。

他预估，未来5年内，当数据传输速度从25.6Tbps增加到204.8Tbps时，传统的光收发模组架构传输的损耗，会成为当前资料传输的瓶颈。而基於矽光子技术的共封装光学模组（Co-Packaged Optics；CPO），提供了更高的传输速度和低损耗，有??提供高於30倍以上的计算能力，将成为各国大厂竞相投入研发，成为解决方案之一。

不过矽光子技术并非易与之辈，它的发展正面临几个关键瓶颈。方彦翔表示，首先，矽光子晶片的制造成本高，限制了矽光子在大规模应用中的推广，因此降低成本是迫切需要解决的课题；再者，矽光子元件的效能和稳定性仍需进一步提升，需针对设计、制造和测试进行深入研究，确保持久稳定运行和高效能。

他进一步指出，在矽光子晶片上实现高效的光源整合是一个挑战，光源作为关键元件需要在矽材料上实现高效的发射和检测。而更好的发射和接收整合是提升矽光子系统性能的关键，需要找到有效的方式，将光源和检测器整合在单一矽晶片上。而这些挑战仍需要技术突破和持续地研究投入，他也预计在未来数年到十年内，可能取得实质进展，推动矽光子技术实现更广泛的应用。

台湾具半导体与光电聚落优势 欠缺系统垂直整合

既然矽光子是次世代运算技术的滩头堡，台湾自然不应该，也不能缺席。甚至还有相对的利基优势，可以在这一场竞逐之中，取得先机。

方彦翔指出，台湾已有完整半导体制造、设计、封测整合产业，并在消费型网通装置、设备市场皆有完整的耕耘，因此在此刻对於运算、网通需求大增，且节能意识抬头之时，投入高速光电通讯晶片开发，可顺势马上衔接上游制造及下游系统应用，在核心元件自主下，带动台湾整体产业加值空间。

他也强调，虽然台湾产学研在矽光子领域仍在起步阶段，但已具备了一定的研发能量，以工研院为例，就拥有矽光子设计能力、高速光电量测平台，以及8寸矽光子制程的开发经验，加上CPO技术尚处於萌芽阶段，产业链未明，各个团队的起跑线差距并不大。

图二 : 方彦翔目前担任工研院矽光子项目的计画主持人，积极推动矽光子产业的发展。（source：工研院）

方彦翔认为，矽光子技术要追赶上国际大厂的发展，首先可以利用台湾在半导体和光电产业基础优势上，配合政府在矽光技术领域提供更多的资源投入，以加快技术的突破和创新；其次是加强产学合作，促进产业和学术界之间的合作，建立矽光子技术的研发和应用平台，共享资源和专业知识，加速技术转化和商业化；最後是强化国际合作，与国际领先的矽光子研发机构和企业合作，进行技术交流和合作项目，吸取国际先进经验，加速台湾在矽光子领域的发展。

当然台湾要发展矽光子技术也并非没有劣势，包含目前高速光电通讯晶片都还由Broadcom、Marvell等国外大厂掌控，此一元件除本身经济规模庞大，还连带影响台湾伺服器产业的自主发展空间及软体应用生态，也对高效网通系统发展形成主要瓶颈。

再者，矽光子晶片越微缩，光学对接技术需更精准，传统光纤转接头体积大，当I/O资料量增加时，无法提升I/O密度；然而，高精度矽光子光学对位方面，目前台厂技术能力尚且不足，目前矽光子设备关键对位模组多由FiconTec、PI、ASML和FIBERPRO等国外公司垅断。

最後一点，则是缺乏垂直整合；方彦翔指出，台湾虽拥有完整半导体、IC设计、封装测试等上下游产业链，但缺乏系统厂做承接，也限制了台湾在矽光子应用的研发自主性。

国际大厂竞相投入 台积又成兵家之地

矽光子技术的重要性，全世界也都看到了，因此欧洲、美国、日本、中国等主要的科技大国，在几年前便相继投入大笔的研发经费，要培养相关的供应链与人才，以避免在未来的科技竞争中落後。台湾起步虽晚，但近期在国际大厂的积极要求之下，也开始加速发展矽光子的技术服务，其中台积更是兵家必争之地，因为它扮演着先进制程与光电晶片整合的关键角色。

「小三现在要变正宫了！」洪勇智教授用一句俗话来比喻当前矽光子的角色变换。

洪勇智教授目前为中山大学光电工程学系的产学研究特聘教授，主持积体光电元件实验室，长期投入矽光子技术的研究，并率领团队开发出微型矽光子陀螺仪驱动晶片，且与台积电共同进行多项的产学研究。

洪勇智教授指出，在ChatGPT等生成式AI应用的驱动下，Apple、AMD和NVIDIA等国际大厂已把矽光子技术正式放入处理器晶片的发展路线中，这也迫使台积电必须加速内部矽光子晶片的研发时程，以满足客户的需求。加上这些一级客户投入的资源十分庞大，更提升了矽光子技术在台积的发展重要性。

至於为什麽国际大厂会转往台积电来发展矽光子（过去多是在GlobalFoundries），洪勇智教授认为，主要的原因可能是矽光子需与先进制程整合的考量。

他表示，目前半导体有两个重要的发展方向，一个就是先进制程的演进，也就是3奈米和2奈米等技术的推进；另一个则是矽光子。但矽光子最後仍是要与先进制程晶片进行整合，因此与其分开进行，不如就在台积电一次到位完成。尤其是目前先进制程仅剩下台积、三星与英特尔有能力提供服务，在营运策略的考量下，台积就会是首选。

图三 : NVIDIA等大厂已把矽光子技术放入发展路线中，迫使台积电必须加速内部的研发时程，以满足客户的需求。（source：台积）

矽光子应对类神经运算 更适合AI应用

洪勇智教授也从技术原理方面，解析矽光子为何对於AI运算更加有利。他表示，光运算很早就已提出，但後来就渐渐没有人提。很大的原因就是「电」其实更加符合传统的运算逻辑机制，直到AI出现。

相较於传统的运算，AI其实已经不再是逻辑运算，它更朝向是属於类神经网路的运算。而类神经网路运算是做一些大量的乘法和加法，而这在传统的数位运算里面不是这麽容易的，因为传统的数位是属於阶梯化的形式，解析度不容易达到需求，此时反而要用类比的方式来做比较容易。

而「光」先天就是一个类比讯号，用来做运算在这几年真的非常的火热，因为它又能高速又是类比的讯号，用来处理CNN（Convolutional neural network）的运算，是比较有效率的。因此也带动矽光子在这一两年之内有很大幅的进展。

洪勇智也指出，矽光子近一年之内有许多的新发展，不管是在国际研讨会或者产业内都有非常大的重心放在光运算。尤其是许多的国际研讨会中，可以发现

很多的主题都围绕在「Photonics Computing」，因为光的计算量不管是传输的速度、频宽和损耗等，都比电更加优异。而这个优势在AI世代将更加明显。

图四 : 中山大学光电工程学系洪勇智教授，长期投入矽光子技术的研究，并与台积电共同进行多项的产学研究。

矽光子三大瓶颈：模拟、检测、I/O

而在光元件发展方面，其实目前各个独立的光元件技术已相当成熟，包含光源、光传、光收发器等，都已经有相关的解决方案，甚至效能也都十分的卓越，唯一的挑战是在把它们整合在一起，并与电一同运行，也就是「光电协同」的问题。

洪勇智表示，电与光各自的元件基本上都一直在往前走，只有光和电整合这一块的进展比较缓慢。不管是光与电的共同模拟（co-simulation），或者是光电的共同整合，也就是封装（CPO）的部分，都仍待进一步的突破。

他指出，目前光与电的模拟仍是分开进行，也就是电的模拟在电的软体中进行，光的模拟则是在光的软体中进行，但矽光子是在一个晶片封装中同时运行，因此必须要把光与电同时模拟才行。而这就有赖Cadence、Synopsys和Ansys这些EDA业者的一同来叁与，才能尽早克服。而唯有共同模拟的环节突破了，後续的共同封装才能更加顺畅。

另一个跟模拟息息相关的问题，就是光I/O设计的挑战，特别是当光I/O的数量到了一定的程度之後，在一颗小小的晶片内的光源要如何设计，是要走晶片内或者晶片外，都需要透过模拟工具来进行解决。尤其光的运行速度非常快，因此也会产生热的问题，所以整合性的模拟工具对於矽光子的发展至为重要。

相对於设计端的光电共同模拟，产品完成後的光电共同检测也是另一个难题。洪勇智指出，目前光电检测仍是属於分开的情况，因为市场上并没有可以同时检测光与电的设备，矽光子晶片究竟要如何进行检测，仍是产业界的一大挑战。尤其是矽光学通常是属於三五族的材料，但这个材料对於晶圆厂来说是很敏感的污染源，因此能否与当前的晶圆制程整合，仍在未定之天。

图五 : 光与电的共同模拟（co-simulation）是矽光子的重要发展关键。图为Ansys的矽光子设计与模拟方案。（source：Ansys）

产官学研携手 加速突破技术瓶颈

从前述的发展现况与诸多挑战来看，台湾矽光子产业要能成形，绝非这一两年的事情，仍需要一段时间来酝酿。但由於这是一个强调整合与跨领域科学的技术，因此想单靠一家公司，或者一个领域来切入，恐怕是会事半功倍，最好的途径就是产学的合作，同时政府给予大力的资源支持。

洪勇智表示，台湾有非常完整的半导体产业链，在「电」的领域几??是一条龙的从设计到制造，再到封装，甚至到最後的系统，台湾都是有不少的企业。例如联发科、台积电和日月光等，伺服器则有纬创和广达等。不足的地方就是起步真的比较晚，仍有很多人不熟悉光子技术。

此外，相较於欧洲、美国、日本和新加坡，台湾政府在矽光子的支持上也非常的少。洪勇智举欧美为例，他表示，欧盟在2013年就开始支持比利时微电子研究中心（imec）进行矽光子研究，将学术与产业的研发能量都集中在这个机构。美国则是在2016年时由总统欧巴马启动成立，当时从IBM拿了一条产线来做矽光子，并要求全美的研究计画都要在此产线进行，以加速矽光子的发展。

至於台湾方面，洪勇智认为，目前对於矽光子技术了解最多、人力资源最丰富的地方，其实是学界，因此应该充分运用学术研究将矽光子的能量带起来。但反之，学校的软硬体资源也最缺乏，这就需要结合产业界与政府的力量。

尽管目前台湾在矽光子的研发力道仍相当分散，但他相信聚沙成塔，透过持续的累积，堆叠起来的成果仍将是相当可观，而且学界又更加天马行空，更能为台湾发展矽光子技术带来新的刺激与可能性。