下注硅光，英伟达和台积电联手，三星紧随其后

在美国举行的全球领先半导体会议IEDM 2024 上，英伟达展示了与台积电合作开发的硅光子原型，并表示两家公司在下一代AI半导体技术方面建立了合作伙伴关系。

硅光子学是一种光学半导体技术，可帮助电子设备中的各种半导体使用光而不是电进行通信。与传统电气连接相比，该技术可提供更高的速度和更低的功耗，这对于人工智能和数据中心等数据密集型应用尤为重要。

英伟达认为，“从中长期角度来看，硅光子学将有助于AI数据中心内的芯片到芯片连接。”台积电也认可硅光子学，发表过多篇硅光子论文，并专门为硅光子技术部署了200多名员工。针对硅光子制造技术，台积电的核心理念是创建两个先进的器件，并使用混合键合（SoIC）的方法将它们组合起来，就好像它们是单个芯片一样。台积电已规划于2025年首次导入量产硅光子芯片。

对于硅光子技术，业内人士表示：“它比现有数据通过铜等金属传输的方法快数百倍。”这种速度优势对于人工智能数据中心等数据密集型应用至关重要，其中高效的数据传输至关重要。

英伟达硅光子学新进展——AI加速器

IEDM 2024会议上，英伟达提出了一种独特的AI加速器设计策略，将硅光子用作I/O组件。这代表着传统互连技术的重大转变，因为传统互连技术一直受到铜的物理限制。此外，英伟达的新架构引入了一种垂直堆叠多个GPU块的独特方式。它集成了12个硅光子组件用于芯片互连，每个GPU块使用三个连接，每层有四个GPU块。

在英伟达的设想中，每个AI加速器复合体包含4个GPU模块，每个GPU模块与6个小型DRAM内存模块垂直连接并与3组硅光子I/O器件配对。硅光子I/O能够提供比现有电气I/O更宽的带宽和能效表现，是目前先进工艺的重要发展方向。而3D垂直堆叠的DRAM内存相较于目前的2.5D HBM方案拥有更低信号传输距离，有助于增加引脚数量和提升每引脚速率。

当然，这一方案想要实现还存在挑战。首先是硅光子技术目前处于初级阶段，必须先实现量产，才有可能实现主流集成，但这需要很多时间。其次，3D垂直堆叠的方式会使散热成为一个问题，英伟达必须集成芯片内冷却解决方案，而现在这个解决方案还尚未发布。

基于此，分析师Ian Cutress认为英伟达这一计划将会在未来五年内实施，可能在 2028 年至 2030 年之间。英伟达表示，硅光子I/O技术的大规模制造是一个特殊的挑战，预计每月需要生产超过100万个这类器件才能满足需求。同时，英伟达还在探索创新的解决方案，以解决模块堆叠带来的散热问题，并可能引入更先进的材料和技术来优化热管理。

下注硅光子，三星紧跟脚步

同样看好硅光子的，还有三星。2024年10月，有消息称，三星电子设备解决方案部门已将自有硅光子学芯片命名为“I-Cube So”和“I-Cube Eo”，目前正在开发产品。

据悉，I-Cube So硅光子芯片的信息传输速度将在2024年达到每秒3.2Tb，2028年将达到12.8Tb，业界人士认为这项技术可以将目前数据传输速度提高数百倍。

三星计划在2027年首次将矽光子芯片导入量产，并聘请了光学专家朴玄大加入晶圆代工事业部，以加快商业化速度。

据市调机构预测，硅光子芯片相关市场规模将从2023年的14亿美元增长至2028年的近50亿美元。