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单双哈希(www.hx198.vip):巨头环伺,布局数十亿美元市场,国内硅光产业发展起步中

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近年来,智慧互联正发展蓬勃,全球数据流量与之亦步亦趋。尤其是正在到来的 5G 引爆的各种应用进一步推动数据中心流量的增长,这就 对其内部的传输提出了新的需求,硅光子为解决这个问题而生。


近日,有海外研究机构称,硅光子学市场在 2021年有望达到11亿美元,到2027年增长到46亿美元; 预计在预测期内将以 26.8% 的复合年增长率增长。


该机构分析说,随着 COVID-19 大流行的爆发,人们对在家工作规范的高度接受以及对看电视和电子学习活动的倾向增加,互联网使用量激增。然而,数字服务的使用激增也导致企业裁员或削减开支。随后,硅光子器件等网络组件的销量大幅下滑。


今天,硅光子学的主要市场是光通信。按价值计算,硅光子占数据通信光收发器市场的 20% 以上。我们预测,到 2027 年,这一比例将增长到 30% 左右。硅光子越来越多地用于 500 m 距离 DR 标准连接,但它也越来越多地用于数据通信应用中的相干技术。对 400ZR 标准技术的需求也在增加。我们估计,2021 年芯片级市场价值为 1.52 亿美元。2027 年,市场将接近 10 亿美元。


由于平台日益成熟,这种增长将受到许多市场的推动。医疗应用开始进入市场,许多初创公司使用硅集成光学作为制造平台。消费者健康发展仍在继续,Rockley 宣布其 VitalSpex TM生物传感平台将于 2022/23 年发货。这将为未来将基于硅光子学的生物传感器集成到苹果或华为等大品牌的可穿戴设备中铺平道路。


使用硅光子学的光互连将使分散的数据中心能够为高性能计算 (HPC) 和数据通信提供更多功率。AyarLabs 采用这种方法,计划在 2022 年首次出货。应用将包括 HPC 和数据中心。


硅光子技术在数据中心中的应用


传统上,基于光的通信主要是用在长距离高速通信中,例如大家熟悉的光纤宽带入户就是这样的长距离高速有线通信的一个重要例子。在数据中心中,常用的数据互联是基于铜电缆的通信。


然而,在最近几年,随着人工智能等应用的兴起,数据中心中也在走向基于光通信的数据互联。这主要的原因在于,人工智能等应用将对于数据互联带宽的需求大大提升了,而常规的铜电缆互联越来越难以满足需求。例如,在人工智能应用中,数据中心常常需要进行大量分布式计算,而分布式计算中,不同服务器之间需要频繁的大量数据交换,数据互联的带宽往往会限制整体任务的性能。这也是大数据时代的一个特点,即算法为了处理海量数据,数据访问的性能和计算性能几乎一样重要,有时候甚至更重要;而随着算法规模越来越大,需要使用多台服务器进行分布式计算的场合也越来越多,因此服务器之间的高速数据互联就成为一个极其重要的核心技术了,而这成为数据中心引入超高带宽基于硅光子的数据互联的主要理由。在几年前,人工智能刚刚兴起时,Nvidia就凭借和Mellanox的合作在机器学习训练中引入基于光互连的InfiniBand从而助力高性能训练,而到了今天类似的超高速光互联已经几乎成为数据中心的标配。


在未来,我们认为大数据和人工智能将继续成为驱动数据中心市场的主要动力。正因为如此,未来数据中心对于基于光的数据互联的需求可望进一步增加,而这也将进一步提升硅光子的市场规模,我们也因此看到了半导体业界的几大巨头都在积极布局相关的硅光子技术。


硅光子技术与CMOS芯片设计


我们认为,硅光子技术目前正在经历一场重要的技术革新,其中的核心技术就是协同封装光子(co-packaged optics,CPO)技术,使用该技术可以把硅光子模块和超大规模CMOS芯片以更紧密的形式封装在一起,从而在成本、功耗和尺寸上都进一步提升数据中心应用中的光互连技术。


CPO技术的主要是指把硅光模块和CMOS芯片用高级封装的形式(例如2.5D或者3D封装)集成在一起。在CPO技术兴起之前,目前的传统技术是把硅光模块和CMOS芯片独立成两个单独模块,然后在PCB板上连到一起。这么做的好处设计较为模块化,CMOS芯片或者硅光模块单独出问题的化都可以单独更换,但是在功耗、尺寸和成本上都较为不利。例如,由于硅光模块的输出是超高速数据,这些数据使用PCB板连接到CMOS芯片上会遇到较大的信号耗损,因此需要恨到的功耗才能支持高数据率。此外,成本上要设计支持超高速信号的PCB也需要较高的开销,而在尺寸上来说分立的硅光模组和CMOS芯片通常集成度更低,这也限制了进一步提升数据中心中的服务器密度。


而CPO就是为了解决这些问题的技术。当使用高级封装技术把硅光模块和CMOS芯片集成到同一个封装内之后,首先硅光模块和CMOS芯片之间的数据连接质量(信号耗损)相比PCB板来说要改善不少,因此能降低功耗;另一方面在大规模量产之后,高级封装也能带来成本上的改善。最后,使用CPO之后,由于都集成在同一个封装内,整体系统的集成度大大提升,尺寸减小,因此也能提升硅光子技术在数据中心应用场景的普及。


目前,众多硅光子领域有投资的巨头都在大力发展CPO技术。如前所述,硅光子技术带来超高速互联是人工智能等分布式高性能计算的核心技术,因此以数据中心为主要市场的公司如Nvidia和AMD都对于CPO有大量布局和投入。Nvidia自从收购Mellanox之后,也进一步强化了其在高性能光互连方面的能力,而在CPO方面Nvidia也公布了其目前的在研技术,即使用CPO技术把GPU和硅光子芯片集成在同一个封装内,以同时支持24路NVLINK,从而实现4.8Tbps的超高速互联。

巨头环伺 布局数十亿美元市场


在产学研三方的努力下,近十年更是催生了Luxtera、Kotura、Lightwire 、Aurrion和Acacia等一波聚焦在硅光子通信的公司,硅光子产业一触即发。


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思科在2012年就已经斥资2.7亿美元收购了硅光子公司Lightwire;


2015年,IBM宣布将硅光子技术提升到一个显著的水平,把硅光子芯片集成到与CPU相同的封装尺寸。这意味着,超级计算的消费级市场在不遥远的未来。


其他如Finisar、Oclaro、博通、SiFotonics、Leti、Infinera、Rockley Photonics、Skorpios、Ciena、Molex 和 IMEC、ST、台积电、格芯、Fabrinet等也都是这个领域不可或缺的参与者。


除了这些独立的厂商外,思科和华为,甚至谷歌和 Facebook这些原本客户的加入,让硅光芯片这个市场竞争更为激烈:华为也在 2013年前后收购了比利时硅光子公司Caliopa和英国光子集成公司 CIP 相继加码这个领域。


近两年,巨头布局硅光市场更是费尽九牛二虎之力。


于2019年1月,为互联网数据中心、有线宽带、电信和 FTTH 市场提供光纤接入网络产品的领先供应商 Applied Optoelectronics 公司 (AOI),宣布其基于硅光子技术的 400G 光模块的客户样品可用性。


2021年3月,亨通光电召开新品发布会,旗下子公司亨通洛克利推出了量产版400G QSFP-DD DR4 硅光模块和基于传统方案的 400G QSFP-DD FR4 光模块,抢先布局数十亿美元市场。


尤其不能忽视的是,成立于2009年的 Acacia 也是硅光子芯片重要玩家,早在2014年,Acacia 就发布了首款具有完整100G相干收发器功能的单芯片硅光子集成电路(PIC)。


同时, Acacia 也是第一个在市场上发布 400G 转发器的供应商,在硅光领域具有全球领先实力。


虽然开发困难比较大,且竞争环境激烈。但对于国内厂商来说,去投入这个产业是必须的。尤其是在中兴制裁时间之后,我们看到了国内在光通信方面的短板。

国内硅光产业发展的难点


要发展硅光产业,首先要了解国内硅光产业发展的痛点、难点,“对症下药”才能更好地促进这个产业的整体发展。


硅光芯片的设计需要在微电子技术的基础上增加光电子技术,也就是说,芯片设计方式会区别于传统芯片,需要相关企业在芯片设计方面加大投入。另外一方面,由于硅光芯片设计要融入大量的光学知识,需要硅光芯片设计人才需要掌握更多的专业知识,这也对未来半导体产业人才的提出了新的需求。


其二,目前硅光芯片的设计方法和设计工具,多效仿或来自于微电子领域的电子设计自动化(EDA)。但EDA工具无法满足其自动化设计需求,尤其是在光的干涉等方面,EDA工具无法满足硅光芯片的设计需求,因此,产业需要针对硅光设计自动化(PDA)工具。从当前发展来看,PDA设计软件公司由于要与代工厂深度合作,而国际EDA巨头公司在与代工厂的合作上本就具有优势,加之他们还在通过收并购布局PDA产业领跑在前,这也使得国内硅光芯片设计公司仍旧绕不过国际EDA巨头。因此,在国内开始意识到EDA工具的重要性的同时,也要加强硅光芯片设计所需的PDA。


其三,国内硅光芯片想要发展,就要使之走向产业化、规模化。只有实现了产业化、规模化,国内的硅光芯片才能在市场中掌握话语权,才有可能在未来的半导体产业竞争当中获得优势。


其四,需要认清传统芯片与硅光芯片之间的异同,由于传统芯片和硅光芯片在制造、设计、封装方面均有所差异,因而,需要相关政策开放对硅光芯片产业发展的管制,切勿一刀切。


来源:半导体行业观察,交流科技,虎嗅

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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