中国信通院赵文玉：硅光在通信和计算领域的应用探析

硅是业界讨论的永恒话题之一最近几年来，伴随着网络带宽的快速增长，其应用潜力被进一步挖掘，思科，英特尔等巨头纷纷进行深度布局市场研究机构Yole今年发布的一份报告称，到2025年，硅灯市场将达到39亿美元

在日前举行的2022中国光网络大会上，中国信通院技术与标准研究所宽带网络研究部主任赵文宇发表演讲，全面分析了硅光在通信和计算领域的应用。

通信领域:新应用推动硅光快速发展。

通信领域主要分为数据中心和电信赵文宇介绍，在数据中心市场，硅光在100G短距离和400G及以上高速应用中优势明显

其中，在100G的短距离方向，硅光PSM4方案可以大大节省器件和组装成本在500m数据中心互联的100G QSFP28 PSM4光模块产品市场中，硅光混合集成方案的份额超过传统分立器件方案，目前已经达到近80%100G SR4，ER4/LR4，CWDM4等仍然主要分别采用VCSEL，EML和DML方案

在400G及以上方向，400G DR4已经投入商用硅光在成本和功耗方面尚未形成对传统方案的有效优势，但技术和投资热情较高8次，如果100G硅光方案的良品率进一步提升，有望在100m及以下与多模技术竞争，在500m部分取代EML成为主流估计4次，200Gb/s CPO将以硅光方案为主

伴随着数据中心内部流量的快速增长，交换机容量，端口密度和功耗都面临着挑战CPO已经成为绿色数据中心的重要发展方向与传统可插拔方案相比，CPO带宽密度提升一个数量级，能效优化40%以上

CPO的潜在切入点是脊叶结构的交换机，因为这些交换机的所有下行链路都需要单模光器件，它们可以完全部署光器件能够提供4到8个400GBASE—DR4和FR4链路的光引擎将是CPO与51.2T交换机相结合的理想目标主干上行链路可能需要相干光，这将促进CPO和可插拔光的交换架构

据报道，英特尔预计，从可插拔到CPO的过渡将在未来五年内进行，以支持新的51.2Tbps交换节点此外，博通在2021年1月发布了一系列支持CPO技术的下一代交换ASIC芯片概念首款25.6Tb洪堡芯片预计将于2022年底推出，而51.2Tbps芯片拜伊将于一年后发布

在电信市场，伴随着相干调制和波分器件的高度集成，分立元件的数量大大减少同时可以采用非气密BGA接口，封装尺寸小，成本低硅集成芯片的商用有望降低相干技术的成本，下沉到核心和汇聚层

电信领域的典型硅光产品，如OFC Acacia今年推出的全新100G/200G CFP2—DCO ZR，以及下一代低功耗100G CFP—DCO ZR，均采用专有DSP和硅光技术的低功耗，高集成度设计，以满足日益增长的网络接入，边缘和企业园区应用容量需求。

中国信通院高度重视硅光集成技术的发展，搭建了5G光电公共服务平台该平台依托工信部产业技术基础公共服务平台国家专项，推动硅光市场的系统化发展

计算领域:硅光互连硅光计算正在兴起。

在计算领域，硅光可以用于光互连传统服务器架构面临分解所有的资源池，包括通用/专用计算，AI/ML，HPC和数据存储，都是相互解耦的，通过Pb/s接口连接互连开始主导成本和功耗，这为集成硅光I/O创造了巨大的驱动力

赵文宇介绍，超过112Gb/s的SerDes极具挑战性，因为板级铜互连的损耗使得传输距离很难超过几厘米，带宽和距离的矛盾严重，需要平衡集成光学器件可以解决这个问题可以建立处理器和存储器之间的高速光连接，并且可以通过各种复用方法进一步增加带宽目前，相关方案已得到初步应用

然后就是硅光的经典计算光计算是利用光的物理特性处理大容量信息的光计算技术具有低延迟，高带宽，低能耗等先天优势广义的光计算是把光作为计算系统的组成部分，而狭义的光计算是指在光域实现信息处理和逻辑运算

受限于分立光计算系统体积大，兼容性差的问题，光计算的核心器件趋向于集成化和小型化，以满足光计算的发展需求硅基光电子学由于发展相对成熟，器件多样，工艺兼容，已经成为集成光计算系统的主要技术

目前经典计算的产业规模较小欧美有五家典型的初创企业，将高校的研究成果转化，形成以光计算为核心的主业其中Lightmatter采用硅光方案伴随着应用需求和产业生态的逐步完善，预计光计算可以初步实现相对于电计算的性能和成本优势，并在一些特殊市场形成产品竞争力

国内涌现出喜智科技，光子算术等行业龙头企业从时间线来看，中国硅光计算产业从R&D，测试到产品上市的时间线与国际时间几乎相同芯片设计，加工，测试全过程的一部分可以在中国完成

目前硅经典计算的产业发展还处于早期阶段，商用产品非常有限可是，科学研究和市场活动正在增加，未来将有更多的企业和科研机构加入

另外还有硅光的量子计算量子计算利用光子对量子比特进行编码，以光子的偏振自由度和角动量作为量子比特的变化测量对象，利用集成光量子芯片实现量子纠缠光源，量子纠缠门和量子比特测量的一体化，从而实现光量子信息的高效处理，计算和传输量子行走，检索，分子模拟，组合优化等应用问题目前，它已被认为是实现量子计算的重要途径之一

量子计算产业的发展依赖于一系列科学问题的研究进展，如光量子态的制备，操纵，探测，以及器件制作的材料和技术等类似于硅光的经典计算，处于初级阶段，科研和市场的活跃度呈上升趋势

赵文宇最后总结说，硅光产品的应用领域和参与厂商非常多，其中通信和计算是最近几年来的热门话题数据中心特性适合硅光的大量应用，CPO技术正在崛起，光子集成趋势显著在计算领域，硅基光电计算是使后摩尔计算技术突破传统微电子计算极限的切实可行的方案伴随着硅基光电子技术的不断成熟，光电子的集成化是必然趋势