雲端運算與AI技術快速升級，解決「智慧化」海量運算需求成為重中之重。IDC預估，全球數據總量於2025年將達180zettabytes(1ZB相當於1兆GB)。龐大的數據量儲存與流動需要仰賴暢通無阻的雲端設備和網路速度，而符合AI級應用的傳輸速度甚至上看800G！如何讓運算及傳輸速度「不卡頓」成為技術創新課題，其中，矽光子扮演吃重角色。一場由「光」取代「電」做為數據傳輸主力的技術演進史於焉展開。

光取代電 矽光子快速崛起

積體電路(IC)可以將複雜的電路微縮成小尺寸晶片，在各類智慧化領域中扮演複雜運算推手，但是在摩爾定律（Moore's law）下，積體電路的技術演進已逼近物理極限，為找到更好的功耗與散熱解方，不少業者另闢蹊徑，布局「矽光子」（Silicon Photonics）技術，企圖將電訊號改以光訊號的方式進行傳輸，一方面解決訊號傳輸耗損的問題，再方面可以同步提升傳輸距離、增加資料頻寬。

矽光子（Silicon Photonics）是將晶片的「電訊號」改為「光訊號」運作，形成光電整合平台，又稱光積體電路。矽光子好比積體「光」路，將光路微縮成小小的光IC晶片，成為一條以光纖舖就而成的微縮高速公路，路上布滿光纖晶片、電路，相關技術橫跨光通訊、元件物理、設計、EDA等領域。積體「電路」擅長運算，積體「光路」擅長訊號傳輸，善用二者之能，光電整合爆發力驚人。

國立中山大學光電系教授洪勇智博士指出，矽光子是將光通訊技術置入IC，利用晶圓廠CMOS製程技術，在單一微晶片中實現複雜的光電系統功能，整合光纖通訊和矽基積體電路技術平台，使用標準EDA tool進行積體電路設計。

光本身無電荷、無質量，同一通道內訊號不會相互干擾，加上低熱量/損耗特性，相較於銅導線傳導技術更勝一籌。由於光纖接取網路與資料中心等高傳輸速度需求不斷攀升，而傳統電力數據運送速率已出現瓶頸，矽光子技術傳輸距離更遠、不受實體線路干擾，而且沒有訊號衰減等問題的特性很快躍升為最新關鍵元件，整合運用於奈米級IC晶片，有助大幅降低模組功耗、體積與成本。

舉例來說，過去資料中心的光收發器模組需要靠人力組裝不同零組件，如雷射、分波多工器、檢光器等，人力成本相當高，矽光子卻可以直接將所需光電元件整合於單一矽晶片中，大幅降低組裝成本，良率卻提高更多。

簡單來說，矽光子具有三項關鍵技術：(1)可以利用成熟CMOS製程實現低成本、高傳輸量的複雜光電路及系統商用；(2)能與CMOS邏輯和數位電路相互整合，提供電子驅動器和資料處理功能；(3)可以和其他光子材料(如SiN和III-V半導體)相互整合運用。如光學收發器(Optical transceiver) 晶片可以相互轉換電訊號和光訊號，光達 (LiDAR)、生物感測、AI、量子光學則是複雜的光路應用。

矽光子潛在市場與應用趨勢

看見矽光子技術的未來性與重要性，全球大廠競相投入矽光子研發與製造，一個20年間，矽光子積體電路的技術發展大幅躍進，如IBM於2012年成功研製矽光學晶片；Intel於2016年推出矽光子光電傳輸器；Luxtera於2017年起與台積電共同發展下世代矽光子技術；蘋果（Apple）、輝達（Nvidia）等龍頭業者也競相走上光通訊變革之路，思科（Cisco）、格羅方德（GlobalFoundries)、邁威爾（Marvell）、華為、海信等重量級業者也當然不讓。

圖一 : Apple Watch 8系列非侵入式監測血糖技術出現重大突破。(source：Apple)

其中，Intel矽光子市占率早在2021年即高達58%，雲端供應商如Google、Meta也早已投入矽光子領域，藉此提升資料傳輸效能。台灣搶進矽光子技術的業者則包含台積電、聯電、日月光、聯亞與台灣奈微光等。

低功耗、高頻寬、更高速的資料傳輸需求帶動矽光子需求。研調機構Gartner預估，矽光子應用於高頻寬資料中心通訊頻道的比例在2025年將逾20%，整體市場規模達26億美元，回顧2020年，當時的占比還不到5%！

矽光子商機持續發酵，市調機構Yole預測，2021年的矽光子（裸晶）市場規模為1.52億美元，2027年可望攀升至9.27億美元，年複合成長率達36%。LightCounting資料則顯示，2024年矽光子光模組市值將達65億美元，占比達60%，與2020年的3.3%相比，成長幅度相當驚人。這些數據不難看出2020-2025年短短五年之間，矽光子的成長爆發力多麼驚人。

矽光子將「電訊號」改為「光訊號」運作，形成光電整合平台，可沿用既有的成熟製程與機台，以低成本方式實現複雜光電系統與功能，目前已大量應用於資料中心，或可應用於生物感測、自駕車(光達)、AI、量子運算等領域。業內預估，就技術應用面來說，矽光子的主戰場會是資料中心。

矽光子能藉CMOS製程整合無數光學元件，成為資料中心光學元件減量的一大利器，預估矽光子技術能夠降低資料中心約30%的光學元件數量，因此科技大廠如Google、Meta等早已砸下重金投入相關技術建置，或如網通大廠思科（Cisco）透過收購矽光子晶片領導廠商Luxtera的方式超車。

洪勇智博士觀察，矽光子技術的變革與演進好比從家用網路撥接上網、ADSL上網到光纖上網，頻寬與網速今非昔比，加上資料傳輸、存儲、運算速度隨著AI的蓬勃發展，朝更高速、更節能的技術與產品方向邁進，無形中也提高對矽光子技術的需求，帶動相關智慧化應用蓬勃發展，如超大規模資料中心的收發器 （transceivers）即為大宗，資料中心帶動的光通訊領域也是目前矽光子技術的最大應用市場。受限於摩爾定律的半導體製程在整合光電元件後不僅能提高元件密度、減少耗能、降低成本，還能增加整體操作效率，而高能效、低延遲與高通量正是光學矩陣運算得以超越摩爾定律、提升運算力的關鍵。

工研院電子與光電系統研究所組長方彥翔指出，矽光子技術在生物分析和檢測方面已出現不少應用成果，相關技術有助提升生物分析與檢測精準度及靈敏度。據傳蘋果（Apple）的Apple Watch非侵入式監測血糖技術出現重大突破，採用矽光子技術原理，透過雷射發出特定波長光照射皮下組織，藉此感測範圍內的葡萄糖吸收區域，進而測出葡萄糖濃度，其中的矽光子晶片和感測器則是委託台積電生產。不用挨針就能測血糖，眾人殷殷期盼產品問世。

圖二 : 4x OSFP800 vs. Cisco 3.2T CPO模組（體積減少100倍以上）。（source：Cisco）

晶片矽光子傳輸技術還能協助遠端醫療，尤其是透過即時影像檢測的遠端判讀與操控，矽光子技術與微型雷射技術相互整合，可以應用於雷射醫療、生物檢測、光譜分析等範疇。金融資料中心、家庭娛樂市場也有相關技術的研發及應用。

矽光子技術應用於自駕車與無人機領域備受關注，其中，光達 (LiDAR) 的高感測精準度備受期待；機器人、LiDAR量測地圖及化工業等領域也能看到矽光子技術的身影。軍事方面，矽光子技術有助衛星在太空間進行巨量資料傳輸，包含國防/太空資料鏈傳輸、核設施監測等應用。無人機的高階陀螺儀若採用矽光子技術，可大幅降低成本並縮小陀螺儀體積，未來甚至可以在消費型/商用無人機裝置上使用光纖陀螺儀。

被視為嶄新應用領域的量子技術可以透過量子力學系統對資訊進行編碼處理、儲存及傳輸，實現運算、通訊、計量、製造、感測等不同領域的跨域整合，未來，隨著IBM、Intel、Google、微軟（Microsoft）、東芝（Toshiba）等領頭雁擴大投資量子技術，勢必出現更多創新解決方案。

此外，矽光子和CMOS強強聯手具有整合優勢，對於半導體晶片與封裝產業的未來深具影響力。龍頭業者依矽光子技術應用領域的不同而有不同的布局動作，如超微（AMD）早在2020年提出光纖維封裝技術專利，建構光子學通信連結至晶片系統，藉此改善延遲與功耗劣勢，同時提高性能；繪圖晶片大廠輝達（Nvidia）去年與Ayar Labs共同開發光學I/O技術方面的AI基礎設施，滿足下一代AI高效能運算需求。

圖三 : 日月光VIPack先進封裝平台，支援CPO封裝技術。(source：日月光)

台積電早在2017年與中山大學光電所合作，協助開發矽光子元件資料庫，2021年則資助開發矽光子光纖陀螺儀；日月光則是運用矽穿孔（Through-Silicon Via）3D封裝技術將電子積體電路（EIC）與光子積體電路（PIC）相互堆疊，使光學元件的體積微縮了100倍之多，有助縮短走線、降低功耗。

隨著數據處理規模日益龐大，光子處理可以發揮快速蒐集、處理和儲存數據的作用，當5G與邊緣運算相互結合成為常態，光子處理器可以提高處理效率，因此近年來在AI、5G與高速傳輸相關領域中也能看到矽光子的身影，如網通設備大廠思科（Cisco）及Arsta等廠商於今年3月展示具備800G通訊埠的交換器產品；Ranovus展示了採用共同封裝光學（Co-Packaged Optics；CPO）技術的800G光引擎。CPO可以大幅降低功耗，是近年來資料中心的新興解決方案之一，被視為取代傳統可插拔光收發模組的最佳替代方案，能夠將網路交換器IC與光模組裝配在同一插槽上。

矽光子與CPO被視為帶動超大資料中心效率大幅提升的主流元件與技術。隨著矽光子支援光電異質整合的技術越發成熟，商用落地的腳步也越快，比方台積電在2017年即針對資料中心推出COUPE矽光子晶片異構整合技術；日月光在2022年推出VIPack先進封裝平台，支援CPO封裝技術；博通（Broadcom）則在今年3月展示了Tomahawk 5 51.2T Bailly CPO原型系統。

圖四 : 基於Tomahawk 5的51.2T Bailly CPO交換機，搭載八個6.4Tb/s光學引擎。(source：Broadcom)

台灣能否「光」速跟進？

光電融合是未來晶片的發展趨勢，以矽光子晶片為基礎的光運算未來可望逐步取代電子晶片運算。電訊號走向光訊號能大幅提升大量資料傳輸效率已成為業內共識，其中矽光子扮演關鍵角色。除了國際大廠布局矽光子領域逾20年，台灣累積多年的半導體代工及光通訊研發能量是否有機會隨大流「光」速前進，抓住商機？

對此，方彥翔認為，雖然台灣具有半導體製造的完整產業鏈及先進製程優勢，但是除了台積電、日月光、聯電等大廠，真正投入矽光子技術研發的廠商不多，而矽光子也涉及光電技術，未來如果出現可以整合與串接光電廠與半導體廠兩個領域的平台，如格羅方德（GlobalFoundries）開放矽光子平台，五年內台灣在矽光晶片方面可能有較大的突破。

為此，工研院、台灣光電化合物半導體產業協會（TOSIA）積極推動光通訊與矽光子產業合作及產業鏈整合，希望匯聚光電半導體產業共識並擴大台灣光通訊產業聯盟合作，建立矽光子技術的研發與應用平台，以利台灣供應鏈切入矽光子市場。

外媒報導，荷蘭決定投資11億歐元(約合新台幣355億元)推動新一代矽光子技術企業發展，台灣政府也許可以思考，繼半導體產業後，是否可能挹注更多資g源在光電領域，挾既有的半導體產業優勢搶占矽光子商機。