云端运算与AI技术快速升级，解决「智慧化」海量运算需求成为重中之重。IDC预估，全球数据总量於2025年将达180zettabytes(1ZB相当於1兆GB)。庞大的数据量储存与流动需要仰赖畅通无阻的云端设备和网路速度，而符合AI级应用的传输速度甚至上看800G！如何让运算及传输速度「不卡顿」成为技术创新课题，其中，矽光子扮演吃重角色。一场由「光」取代「电」做为数据传输主力的技术演进史於焉展开。

光取代电 矽光子快速崛起

积体电路(IC)可以将复杂的电路微缩成小尺寸晶片，在各类智慧化领域中扮演复杂运算推手，但是在摩尔定律（Moore's law）下，积体电路的技术演进已逼近物理极限，为找到更好的功耗与散热解方，不少业者另辟蹊径，布局「矽光子」（Silicon Photonics）技术，企图将电讯号改以光讯号的方式进行传输，一方面解决讯号传输耗损的问题，再方面可以同步提升传输距离、增加资料频宽。

矽光子（Silicon Photonics）是将晶片的「电讯号」改为「光讯号」运作，形成光电整合平台，又称光积体电路。矽光子好比积体「光」路，将光路微缩成小小的光IC晶片，成为一条以光纤??就而成的微缩高速公路，路上布满光纤晶片、电路，相关技术横跨光通讯、元件物理、设计、EDA等领域。积体「电路」擅长运算，积体「光路」擅长讯号传输，善用二者之能，光电整合爆发力惊人。

国立中山大学光电系教授洪勇智博士指出，矽光子是将光通讯技术置入IC，利用晶圆厂CMOS制程技术，在单一微晶片中实现复杂的光电系统功能，整合光纤通讯和矽基积体电路技术平台，使用标准EDA tool进行积体电路设计。

光本身无电荷、无质量，同一通道内讯号不会相互干扰，加上低热量/损耗特性，相较於铜导线传导技术更胜一筹。由於光纤接取网路与资料中心等高传输速度需求不断攀升，而传统电力数据运送速率已出现瓶颈，矽光子技术传输距离更远、不受实体线路干扰，而且没有讯号衰减等问题的特性很快跃升为最新关键元件，整合运用於奈米级IC晶片，有助大幅降低模组功耗、体积与成本。

举例来说，过去资料中心的光收发器模组需要靠人力组装不同零组件，如雷射、分波多工器、检光器等，人力成本相当高，矽光子却可以直接将所需光电元件整合於单一矽晶片中，大幅降低组装成本，良率却提高更多。

简单来说，矽光子具有三项关键技术：(1)可以利用成熟CMOS制程实现低成本、高传输量的复杂光电路及系统商用；(2)能与CMOS逻辑和数位电路相互整合，提供电子驱动器和资料处理功能；(3)可以和其他光子材料(如SiN和III-V半导体)相互整合运用。如光学收发器(Optical transceiver) 晶片可以相互转换电讯号和光讯号，光达 (LiDAR)、生物感测、AI、量子光学则是复杂的光路应用。

矽光子潜在市场与应用趋势

看见矽光子技术的未来性与重要性，全球大厂竞相投入矽光子研发与制造，一个20年间，矽光子积体电路的技术发展大幅跃进，如IBM於2012年成功研制矽光学晶片；Intel於2016年推出矽光子光电传输器；Luxtera於2017年起与台积电共同发展下世代矽光子技术；苹果（Apple）、辉达（Nvidia）等龙头业者也竞相走上光通讯变革之路，思科（Cisco）、格罗方德（GlobalFoundries)、迈威尔（Marvell）、华为、海信等重量级业者也当然不让。

图一 : Apple Watch 8系列非侵入式监测血糖技术出现重大突破。(source：Apple)

其中，Intel矽光子市占率早在2021年即高达58%，云端供应商如Google、Meta也早已投入矽光子领域，藉此提升资料传输效能。台湾抢进矽光子技术的业者则包含台积电、联电、日月光、联亚与台湾奈微光等。

低功耗、高频宽、更高速的资料传输需求带动矽光子需求。研调机构Gartner预估，矽光子应用於高频宽资料中心通讯频道的比例在2025年将逾20%，整体市场规模达26亿美元，回顾2020年，当时的占比还不到5%！

矽光子商机持续发酵，市调机构Yole预测，2021年的矽光子（裸晶）市场规模为1.52亿美元，2027年可??攀升至9.27亿美元，年复合成长率达36%。LightCounting资料则显示，2024年矽光子光模组市值将达65亿美元，占比达60%，与2020年的3.3%相比，成长幅度相当惊人。这些数据不难看出2020-2025年短短五年之间，矽光子的成长爆发力多麽惊人。

矽光子将「电讯号」改为「光讯号」运作，形成光电整合平台，可沿用既有的成熟制程与机台，以低成本方式实现复杂光电系统与功能，目前已大量应用於资料中心，或可应用於生物感测、自驾车(光达)、AI、量子运算等领域。业内预估，就技术应用面来说，矽光子的主战场会是资料中心。

矽光子能藉CMOS制程整合无数光学元件，成为资料中心光学元件减量的一大利器，预估矽光子技术能够降低资料中心约30%的光学元件数量，因此科技大厂如Google、Meta等早已砸下重金投入相关技术建置，或如网通大厂思科（Cisco）透过收购矽光子晶片领导厂商Luxtera的方式超车。

洪勇智博士观察，矽光子技术的变革与演进好比从家用网路拨接上网、ADSL上网到光纤上网，频宽与网速今非昔比，加上资料传输、存储、运算速度随着AI的蓬勃发展，朝更高速、更节能的技术与产品方向迈进，无形中也提高对矽光子技术的需求，带动相关智慧化应用蓬勃发展，如超大规模资料中心的收发器 （transceivers）即为大宗，资料中心带动的光通讯领域也是目前矽光子技术的最大应用市场。受限於摩尔定律的半导体制程在整合光电元件後不仅能提高元件密度、减少耗能、降低成本，还能增加整体操作效率，而高能效、低延迟与高通量正是光学矩阵运算得以超越摩尔定律、提升运算力的关键。

工研院电子与光电系统研究所组长方彦翔指出，矽光子技术在生物分析和检测方面已出现不少应用成果，相关技术有助提升生物分析与检测精准度及灵敏度。据传苹果（Apple）的Apple Watch非侵入式监测血糖技术出现重大突破，采用矽光子技术原理，透过雷射发出特定波长光照射皮下组织，藉此感测范围内的葡萄糖吸收区域，进而测出葡萄糖浓度，其中的矽光子晶片和感测器则是委托台积电生产。不用挨针就能测血糖，众人殷殷期盼产品问世。

图二 : 4x OSFP800 vs. Cisco 3.2T CPO模组（体积减少100倍以上）。（source：Cisco）

晶片矽光子传输技术还能协助远端医疗，尤其是透过即时影像检测的远端判读与操控，矽光子技术与微型雷射技术相互整合，可以应用於雷射医疗、生物检测、光谱分析等范畴。金融资料中心、家庭娱乐市场也有相关技术的研发及应用。

矽光子技术应用於自驾车与无人机领域备受关注，其中，光达 (LiDAR) 的高感测精准度备受期待；机器人、LiDAR量测地图及化工业等领域也能看到矽光子技术的身影。军事方面，矽光子技术有助卫星在太空间进行巨量资料传输，包含国防/太空资料链传输、核设施监测等应用。无人机的高阶陀螺仪若采用矽光子技术，可大幅降低成本并缩小陀螺仪体积，未来甚至可以在消费型/商用无人机装置上使用光纤陀螺仪。

被视为崭新应用领域的量子技术可以透过量子力学系统对资讯进行编码处理、储存及传输，实现运算、通讯、计量、制造、感测等不同领域的跨域整合，未来，随着IBM、Intel、Google、微软（Microsoft）、东芝（Toshiba）等领头雁扩大投资量子技术，势必出现更多创新解决方案。

此外，矽光子和CMOS强强联手具有整合优势，对於半导体晶片与封装产业的未来深具影响力。龙头业者依矽光子技术应用领域的不同而有不同的布局动作，如超微（AMD）早在2020年提出光纤维封装技术专利，建构光子学通信连结至晶片系统，藉此改善延迟与功耗劣势，同时提高性能；绘图晶片大厂辉达（Nvidia）去年与Ayar Labs共同开发光学I/O技术方面的AI基础设施，满足下一代AI高效能运算需求。

图三 : 日月光VIPack先进封装平台，支援CPO封装技术。(source：日月光)

台积电早在2017年与中山大学光电所合作，协助开发矽光子元件资料库，2021年则资助开发矽光子光纤陀螺仪；日月光则是运用矽穿孔（Through-Silicon Via）3D封装技术将电子积体电路（EIC）与光子积体电路（PIC）相互堆叠，使光学元件的体积微缩了100倍之多，有助缩短走线、降低功耗。

随着数据处理规模日益庞大，光子处理可以发挥快速搜集、处理和储存数据的作用，当5G与边缘运算相互结合成为常态，光子处理器可以提高处理效率，因此近年来在AI、5G与高速传输相关领域中也能看到矽光子的身影，如网通设备大厂思科（Cisco）及Arsta等厂商於今年3月展示具备800G通讯埠的交换器产品；Ranovus展示了采用共同封装光学（Co-Packaged Optics；CPO）技术的800G光引擎。CPO可以大幅降低功耗，是近年来资料中心的新兴解决方案之一，被视为取代传统可??拔光收发模组的最隹替代方案，能够将网路交换器IC与光模组装配在同一??槽上。

矽光子与CPO被视为带动超大资料中心效率大幅提升的主流元件与技术。随着矽光子支援光电异质整合的技术越发成熟，商用落地的脚步也越快，比方台积电在2017年即针对资料中心推出COUPE矽光子晶片异构整合技术；日月光在2022年推出VIPack先进封装平台，支援CPO封装技术；博通（Broadcom）则在今年3月展示了Tomahawk 5 51.2T Bailly CPO原型系统。

图四 : 基於Tomahawk 5的51.2T Bailly CPO交换机，搭载八个6.4Tb/s光学引擎。(source：Broadcom)

台湾能否「光」速跟进？

光电融合是未来晶片的发展趋势，以矽光子晶片为基础的光运算未来可??逐步取代电子晶片运算。电讯号走向光讯号能大幅提升大量资料传输效率已成为业内共识，其中矽光子扮演关键角色。除了国际大厂布局矽光子领域逾20年，台湾累积多年的半导体代工及光通讯研发能量是否有机会随大流「光」速前进，抓住商机？

对此，方彦翔认为，虽然台湾具有半导体制造的完整产业链及先进制程优势，但是除了台积电、日月光、联电等大厂，真正投入矽光子技术研发的厂商不多，而矽光子也涉及光电技术，未来如果出现可以整合与串接光电厂与半导体厂两个领域的平台，如格罗方德（GlobalFoundries）开放矽光子平台，五年内台湾在矽光晶片方面可能有较大的突破。

为此，工研院、台湾光电化合物半导体产业协会（TOSIA）积极推动光通讯与矽光子产业合作及产业链整合，希??汇聚光电半导体产业共识并扩大台湾光通讯产业联盟合作，建立矽光子技术的研发与应用平台，以利台湾供应链切入矽光子市场。

外媒报导，荷兰决定投资11亿欧元(约合新台币355亿元)推动新一代矽光子技术企业发展，台湾政府也许可以思考，继半导体产业後，是否可能??注更多资g源在光电领域，挟既有的半导体产业优势抢占矽光子商机。