AUDIO READER
TAP TO PLAY
top of page

【科技速解】光電融合的奇點:矽光子 (SiPh) 與 CPO 如何拯救 AI 的熱力學危機

  • 作家相片: Sonya
    Sonya
  • 5天前
  • 讀畢需時 5 分鐘

秒懂重點:為什麼你現在非懂不可?


請想像一下,你擁有一台法拉利引擎(頂級 AI 晶片,如 NVIDIA Blackwell),但你卻用一根細細的吸管(傳統銅線電路)來輸送汽油。結果如何?引擎還沒跑到極速,吸管就因為摩擦過熱而融化了,甚至為了把油打進去,幫浦消耗的能量比引擎本身還多。



這就是目前 AI 資料中心面臨的殘酷物理現實:「算力很便宜,但搬運數據太貴、太熱了。」

目前資料中心約有 30%~40% 的電力不是用來計算,而是浪費在「把資料從 A 點搬到 B 點」的銅線發熱上,「矽光子 (Silicon Photonics)」與「共同封裝光學 (CPO)」技術,就是要將這根銅吸管換成「光纖管」,利用光速、低熱能的特性,讓數據傳輸不再受阻,這不只是技術升級,這是一場能源革命。誰掌握了光,誰就掌握了下一代 AI 霸權的入場券。



技術白話文:原理解析與核心突破

過去的瓶頸:撞上「銅牆鐵壁 (The Copper Wall)」


在傳統電腦與伺服器中,晶片與晶片之間是靠主機板上的銅線路(PCB Trace)來傳遞電子訊號。


  • 集膚效應 (Skin Effect): 當訊號頻率越高(速度越快),電子只喜歡在銅線表面跑,導致電阻急劇上升。

  • 訊號衰減: 為了對抗電阻,你必須加大電壓,這導致了驚人的熱量。



在 AI 時代,當傳輸速度超過 112Gbps 甚至邁向 224Gbps 時,銅線傳輸就像是在沙灘上跑步,每跑一步都要消耗巨大的體力(電力),而且跑不遠(傳輸距離縮短到僅剩幾公分)。這就是業界聞之色變的「銅牆鐵壁」。


它是如何運作的?(精妙比喻:從快遞員到光速傳送門)


矽光子 (Silicon Photonics) 的核心概念極其大膽:試圖把「光通訊系統」微縮到一顆小小的「矽晶片」上。


試想兩種運輸方式:


  1. 傳統銅導線(機車快遞): 這是「電子」,它有重量(質量),在擁擠的街道(銅線)上穿梭會產生摩擦(發熱),而且距離越遠,快遞員越累,速度越慢。

  2. 矽光子技術(光纖傳送門): 這是「光子」,它沒有質量,也不會發熱,我們不再派快遞員騎車,而是直接建立一個「光學傳送門」。



運作三部曲:


  1. 電轉光 (E/O 轉換): 在晶片出口處,有一個微小的「調變器 (Modulator)」,它像是一個超高速的百葉窗,將電子訊號的 0 和 1,轉換成光的「亮」和「暗」。

  2. 光傳輸 (Waveguide): 光束進入刻在矽晶片上的「光波導」(奈米級的光纖通道),以近乎光速滑行,過程中幾乎不產生熱量。

  3. 光轉電 (O/E 轉換): 到達目的地後,「光探測器 (Photodetector)」接收光訊號,瞬間將其還原為電子訊號給晶片處理。



為什麼這是革命性的? (CPO 的終極型態)


早期的光通訊模組像是一個外掛的 USB 隨身碟(稱為 Pluggable),插在伺服器邊緣。雖然用了光,但晶片到模組這段路還是要走銅線。


革命性的突破在於 CPO (Co-Packaged Optics,共同封裝光學), 這就像是把「傳送門」直接蓋在「工廠(GPU)」的大門口,工程師利用先進封裝技術,將光引擎與 GPU/Switch 晶片封裝在同一個載板(Substrate)上。


  • 距離歸零: 電訊號只需走幾公釐就能變成光,銅線傳輸路徑縮短 90% 以上。

  • 功耗暴跌: 傳輸功耗可降低 30%~50%。

  • 密度暴增: 可以在同樣的體積下,塞入數倍的頻寬。



產業影響與競爭格局


誰是主要玩家?(供應鏈深度解析)


矽光子產業鏈極度複雜,這是一場 IDM、Foundry 與封測廠的混戰。


  • 晶圓代工與先進製程 (The Foundry Kings):

    • 台積電 (TSMC): 絕對霸主,推出了 COUPE (Compact Universal Photonic Engine) 技術,利用其強大的 SoIC 3D 堆疊技術,將電子晶片 (EIC) 與光子晶片 (PIC) 垂直堆疊。這是目前能效最高的方案。

    • GlobalFoundries (格羅方德): 在矽光子特殊製程上耕耘極深,擁有高市佔率。

    • Intel: 矽光子的老牌先行者,早在十年前就大力推動,擁有極強的混合鍵合(Hybrid Bonding)技術,試圖利用此技術彎道超車。

  • 晶片設計與模組 (The Architects):

    • Broadcom (博通) & Marvell (美滿電子): 網路通訊晶片的雙巨頭,是 CPO 規格的主要制定者,控制著交換機 (Switch) 市場。

    • NVIDIA: 透過 NVLink 與收購 Mellanox,正積極研發自家的光互連技術,意圖打造全光學的 AI 超級電腦。

  • 封裝與測試 (The Builders):

    • 日月光 (ASE): 全球封測龍頭,與台積電緊密合作 CPO 封裝,解決異質整合的難題。

    • 訊芯-KY (Foxconn group): 鴻海集團旗下,專注於光收發模組的封裝,是 CPO 時代的重要封裝廠。

  • EDA 工具 (The Planners):

    • Synopsys & Cadence: 由於光路設計與電路設計完全不同(光會轉彎損耗、會干涉),需要全新的模擬軟體。



技術的普及時程與挑戰


CPO 並非遙不可及,但也不是明天就普及。


  • 2024-2025 (前哨戰): 800G 光模組是主流,CPO 開始在超大型資料中心(Hyperscale)進行小規模試點。

  • 2026-2027 (爆發期): 隨著 1.6T 和 3.2T 交換機晶片的推出,傳統銅線將徹底失效,CPO 將成為高階 AI 伺服器的標配。


核心挑戰:


  1. 光雷射的壽命 (The Laser Problem): 矽本身不會發光,必須外掛雷射光源(III-V 族材料),雷射非常怕熱,放在滾燙的 GPU 旁邊容易壞,壞了怎麼修?CPO 封裝在一起,總不能為了換個雷射頭把整顆幾萬美元的 GPU 丟掉,因此,「外置光源 (External Laser Source, ELS)」成為目前的折衷解方。

  2. 標準化與良率: 光學對齊的精度要求是微米級的,封裝難度極高,目前良率仍需提升。



未來展望與投資視角


矽光子技術將半導體產業帶入了一個「後摩爾定律」的新維度,我們不再單純追求電晶體更小,而是追求「I/O (輸入輸出) 更快」。


從投資角度看,這是一條長達 5-10 年的長坡厚雪賽道,短期內關注高階光收發模組 (Optical Transceivers) 的製造商(如中際旭創、Coherent); 中期來看,CPO 封裝與測試(如日月光、訊芯)將迎來價值重估,因為封裝的價值占比大幅提升; 長期而言,掌握光引擎核心製程的晶圓廠(台積電)與控制生態系的晶片巨頭(Broadcom, NVIDIA)將是最大贏家。


Aminext 希望能盡量把那些艱澀的物理名詞翻譯成大家都能懂的話,如果您覺得這篇分析有幫您看懂了一點點未來的世界,拜託拜託幫我按個讚轉發出去!這對我是莫大的鼓勵,讓我更有動力繼續寫下去!

留言


Subscribe to AmiNext Newsletter

Thanks for submitting!

  • LinkedIn
  • Facebook

© 2024 by AmiNext 金融與科技筆記

bottom of page