產業專題—銅退光進趨勢下的矽光子材料和市場展望 Memo 20240628

rexlin6666

國泰證期研究部
產業專題—銅退光進趨勢下的矽光子材料和市場展望
Memo
20240628

一、矽光子技術路線與市場趨勢
1. 光纖傳輸vs.銅傳輸：光纖傳輸頻寬高、損耗低、不易受電磁波干擾、傳輸距離遠，隨AI Data center發展受市場矚目，Transceiver為最重要裝置。流程：Server/Switch電訊號→可插拔式Transceiver電轉光→光纖→可插拔式Transceiver光轉電→Server/Switch電訊號。

2. EIC、PIC由不同供應鏈生產封裝，最後交由模組廠連接組裝。

3. 傳統vs.矽光子Transceiver：矽光子Transceiver整合在矽晶片上、損耗低、整合程度高、自動化程度高、產品信賴度高、技術門檻高、成本隨傳輸速度增加更具效益。據傳Google已在最新Data center部署800G矽光子Transceiver。

4. 最大挑戰：如何整合PIC？特別是雷射和光放大器的Ⅲ-Ⅴ族化半，磊晶結構難在矽晶圓堆疊。3種方式：
1) Die to wafer bonding：流程：Ⅲ-Ⅴ族晶圓做PIC die→矽晶圓線路設計→PIC die bonding在矽晶圓→蝕刻等程序。優點：不用精準對位、整合程度高。缺點：技術門檻高、需設新產線。代表：Intel、SCINTIL Photonics、Skorpios。
2) Flip-chip integration：流程：Ⅲ-Ⅴ族平台製作完整雷射晶片→雷射晶片倒裝並焊接於矽晶片。優點：技術簡單、可在現產線生產。缺點：需精準對位、生產效率低。代表：Cisco（Luxtera）、AMF。
3) Transfer printing：流程：Ⅲ-Ⅴ族平台製作完整雷射晶片→Stamp橡膠Pick-and-place，一次大量轉移雷射晶片至矽晶片。優點：提升Flip-chip intergration效率。缺點：尚未有成熟設備。代表：Imec、X-Celeprint。

5. 遠端雷射模組vs. MI（Monolithic integration）：
1) 遠端雷射模組：流程：雷射獨立封裝模組化→其他元件整合在矽晶片→與雷射模組連接。優點：較易生產、可避免EIC溫度影響波長、雷射易更換。缺點：體積難微縮、功耗難下降、光纖連接數多且複雜。代表：Cisco、Broadcom、Ayar Labs。
2) MI：流程：利用應力緩衝層在矽晶圓上堆疊Ⅲ-Ⅴ化半材料→同片晶圓完成EIC/PIC結構。優點：高度整合、損耗最低。缺點：技術難度最高且雷射效率差，雖是終極目標，目前仍處學術研發階段。代表：Tower、Quintessent、Juniper、Imec、IQE。

6. NV Blackwell 3Q24放量，4Q24 CSP開始使用，接口配置400G/800G，2025有機會1.6T，許多模組廠商加速開發，加速高階Switch/Transceiver滲透。中國中際旭創提到4Q25量產1.6T。

7. 目前狹義CPO難度仍高，OBO/NPO較常被採用，其中NPO較受青睞，因傳輸距離較短、基板面積較小（性能升級成本較低）。

8. Broadcom Switch ASIC市佔領先，目前CPO採NPO、遠端雷射模組方式，商用時程較快，宣稱可降低至少30%功耗，據市調ASIC採TSMC N5、8 SiPh engine，光纖接口由TE Connectivity和Ranovus合作開發，遠端雷射模組與眾達合作開發。Intel則致力於雷射整合技術（具專利壁壘）。

9. 最終希望轉Optical I/O。Intel OCI採3D封裝將PIC倒裝在EIC上並透過TSV做訊號連接。Ayar Labs Optical I/O產品已進小量驗證階段，商用進度領先，TSMC、NV、Intel、HPE、GlobalFoundries皆有投資。

10. Samsung計畫2027提供涵蓋CPO技術的一站式AI Solution。

11. 「異質整合」、「先進封裝」為矽光子未來發展重點。整合體積、傳輸損耗優劣：MI > 3D TSV > 2.5D stack > 2.5D interposer > Wire bonding。TSMC計畫2025推COUPE pluggable（2.5D stack），2026推CoWoS CPO（3D TSV）。

12. 矽光子滲透路線：Optical transceiver→CPO→Optical I/O。應用從Communication拓展至HPC、Sensing領域。討論度高的為健康感測，一般使用SWIR波段偵測葡萄糖、酒精，有很大應用潛力。

13. 預估2022-2027全球矽光子裸晶片市場CAGR +48.2%，Datacom為主要驅動力。2027規模144.4億TWD（Datacom 134.2億、Telecom 5億、Others 5.2億）（Others佔比：CPO 64%、Optical I/O 15.1%、Optical computing 12.7%、LiDAR&FOG 5%、Bio-sensor&medical 3.2%）。

14. CPO何時快速滲透？觀察4指標：
1) Broadcom出貨。其說法為2H24出貨（應是驗證，不是量產）。
2) NV採用態度。NV併購Mellanox後就可做自己規格，有聽說對CPO有些合作但尚無相關產品時間點，若NV卯起来做會比Broadcom處於更有利位置。
3) 4大CSP採用態度。最有本錢購買最高階資料中心、相關揭露也較多，目前有2家對CPO表態，但未正式使用。
4) 可插拔式Transceiver可發展程度。1.6T應無太大問題，預計2H25量產，通常走2年，3.2T應2027開始，2027為觀察 3.2T vs. CPO 時間點。

15. 2023 Yole Intelligence預估2022-2028 800G/1.6T可插拔式Transceiver Datacom出貨量快速成長。

二、矽光子關鍵元件及材料解析
1. 雷射發光波長取決於材料能隙大小，~850nm用GaAs，~1310nm、~1550nm用InP。3雷射型態：
1) 近距：GaAs的VCSEL（3m-100m）。
2) 遠距：InP的DML（100m-10km）/EML（>10km）。EML為DML+電致吸收調變器。

2. 隨Data center傳輸速度增加，銅纜DAC恐限縮在Rack內部（<5m），光傳輸更加吃重。銅纜+DSP晶片可傳較遠但仍約在10m。

3. 為製作光波導通道，矽光子晶圓基板採SOI wafer，為上下2層Si中間夾1層BOX（低折射率SiO2氧化層），使光能全反射。矽光子SOI wafer要求翹曲度低、表面平整、每層厚度均一，Soitec藉Smart Cut專利技術加快效率、提升品質，全球薄形SOI wafer多由Soitec供應。

4. 調變器（把數位訊號轉為光訊號）為決定單通道傳輸速度關鍵。3種方式：
1) MZM：將入射光分成2個等亮度光，控制相位差後將2波合併，疊加=1，相消=0。優點：可操作波長較廣、熱穩定性高。缺點：體積大。代表：Cisco。
2) MRM：Micro ring外加電壓使波長移動，代表0→1。優點：驅動電壓低、體積小。缺點：技術難度高，波長控制需<1nm。代表：Intel、Skorpios、Ranovus。
3) EAM：施加電壓下能隙變小，改變光強度。優點：GeSi/SiGe易在矽晶圓上製作。缺點：工作波長多在1565-1625nm。代表：Mellanox、Imec。

5. 矽光子瓶頸：
1) 光耦合器（Coupler）：光波導（nm）與光纖（µm）尺寸差異大，損耗大。
2) 光接收器（Photodiode）：Ge易與Si整合最常被使用，但有漏電問題。
3) 測試：探針光耦合難度高，相關設備及標準發展中。

三、矽光子供應鏈競合分析
1. 全球矽光子應用Datacom>Telecom，其中2022 Datacom Optical Transceiver出貨金額佔比：Intel 62.5%、Cisco 18.1%。10M23 Intel將矽光子光收發器業務出售給Jabil，後續持續提供Jabil技術支援，把研發重心轉往Optical I/O。此外也認為矽光子對Intel來說營收偏低、矽光子未來競爭者會愈來愈多，不如選擇在情況好時賣掉，反正值錢的技術、專利仍在手上。

2. 2023 Yole Intelligence調研2023 Datacom乙太網傳輸出貨數量中SiPh僅佔5%，預估2024滲透率才明顯上升。

3. 供應鏈關係：
1) 因目前滲透率偏低，供應鏈多為互相研發合作、小批量代工、測試驗證，但未來將隨需求上升朝向專業分工。
2) 產業附加價值往上游晶片設計/製造移動，下游模組廠邊緣化。中國模組廠已在進行矽光子上游晶片設計併購，因中國下游模組市佔高，但矽光子技術缺乏。
3) 新加入Si半導體業者會併購光學廠商，因矽光子為跨領域應用。

4. 近期大廠佈局重點：200G單通道雷射、1.6T光收發模組、矽光子。

QA
1. NPO Laser放板外是Broadcom作法，Laser是否升級不確定，不過個人認為應有不同變動型，可能只留Laser、光放大器、光纖相關接頭，其他能跟矽晶圓整合的都會整合在裡面。

2. 可插拔 vs. CPO成本比較是雞生蛋蛋生雞問題，Broadcom說這麼好但誰要先當白老鼠？需要CPO實際大量運轉後才有數據證明成本比現有可插拔低。

3. SiPh engine若損壞是否可單獨更換而不動到ASIC？有廠商考慮做一個socket但目前沒看到實際例子。

4. 在NV生態系是否看到矽光子相關產品？目前沒看到NV相關產品、時間點，業者拜訪下有透露和TSMC或相關業者合作，細節不知，不過併購的Mellanox過去也已有相關佈局。個人認為NV顯然目前不急。

5. Broadcom等廠商如何說服CSP使用其解決方案？回歸雞生蛋蛋生雞，要證明其CPO交換器能耗降低、延遲降低、信賴度提升、省電效率皆遠大於被壟斷、不易更換的風險，但這需大量生產實例才可證明。所以還是觀察快速滲透4指標：1) Broadcom出貨、2) NV採用態度、3) 4大CSP採用態度、4) 可插拔式Transceiver可發展程度。

(*僅供本公司內部同仁參考使用，非經本公司事先書面同意，不得轉發或轉載第三人)