什麼是矽光子？(1)——資訊城市大塞車，矽光子來救援！
當電子傳輸愈來愈像城市裡的塞車，矽光子便成為解決壅塞的「光速捷運」，它以光子取代電子傳遞訊號，不僅更快、更穩定、也更節能，矽光子已成為科技巨頭如 Intel、Google、台積電等爭相投入的研發項目。本文將帶你認識什麼是矽光子以及為何它能突破資料傳輸瓶頸。
撰文｜黃鼎鈞
若將電腦比喻為一座資訊城市，城市裡的每一座工廠都是處理資料的單元（電晶體），它們之間需要不斷交換訊息，即使交通系統完善，當資料流量急劇增加，就像車流量暴增一樣，城市交通終究會壅塞，這正是傳統電子元件的困境：電子訊號在高密度電路中塞車，效率日漸下降，尤其在人工智慧迅速發展的今天，資料需求急遽膨脹，讓傳輸效率面臨瓶頸，成為現代科技發展的挑戰之一。為了解決都會區壅塞，我們會興建地鐵、公車專用道等新型運輸系統，確保運輸不受阻塞，相似地，「矽光子」（Silicon Photonics）正是資料傳輸的下一代通道：改用「光」取代「電子」來傳遞訊號，更快、更省電，也更穩定，就像大眾運輸能改善城市交通效率，這項技術正以革命性的方式突破傳統限制，本文將帶你了解什麼是矽光子、而它正如何的推進現有科技的發展。
什麼是矽光子？
矽光子技術是利用「光子」在「矽」材料上傳輸資料，元件主要包括光波導（光的道路）、調變器（調整光的內容）和偵測器（讀取光訊號）。那為什麼選擇「矽」來承載光子，而不是其他材料呢？事實上，矽屬於間接能隙半導體，因此無法有效自行發光，也就是說，矽本身並不是理想的發光材料，然而，選用矽的原因是務實的考量：因為它是整個半導體產業的基礎材料，像是台積電、Intel、Samsung 早已為矽半導體量身打造相關製程與設計工具，換句話說，城市的道路早已建好，與其拆除重建，不如善用既有且龐大的矽生態系，沿著現有框架加建光的車道，不但節省成本，還能快速導入，簡言之，矽光子的科技策略正是：「在既有矽的道路規劃上，鋪設光的專用通道。」
矽光子的優勢是什麼？
因為它能解決一個從電腦誕生以來就存在的問題：資料傳輸的瓶頸。現今的電腦、伺服器、資料中心與手機中，內部往往包含數十億至數百億個電晶體同時運作，例如 Apple 最新的M4晶片擁有約 280 億個電晶體，這些電晶體之間必須頻繁交換資料，尤其在執行大型 AI 模型（如 GPT）時，處理器間的溝通需求極為龐大，在這樣的情況下，若仍使用傳統電子訊號進行資料傳輸，將面臨多重挑戰：電子受到電阻與電容的影響，導致傳輸速度受限；高速電子訊號之間會互相干擾，造成訊號失真；傳輸過程還會產生熱能，造成功耗增加；在晶片微縮設計中，更會遇上線路密度高所帶來的干擾與工程困難。然而，光子則具備截然不同的優勢，它不帶電、不會彼此干擾、速度更快，還能透過不同波長在同一條通道中同時傳輸多組訊號，這種方式稱為「波長分波多工」（WDM, Wavelength Division Multiplexing），因此，光子能實現更快、更穩定且更節能的資料傳輸，正是邁向 AI 與高速網路時代的關鍵技術。
矽光子的應用：科技巨頭搶先佈局的未來命脈
矽光子並不是紙上談兵，它已成為全球科技巨頭投注資源的重點項目。Intel 早在十多年前就開始布局矽光子模組，並與 Google 合作導入資料中心；Cisco、Juniper、Nokia 等網通巨頭也積極開發相關硬體；台積電方面則更進一步，除了將矽光子技術整合進其先進封裝平台，例如 CoWoS-L 和 InFO-L（這些封裝技術就像是幫晶片安裝高速交流道，讓不同元件之間傳輸資料更快速），更規劃於 2025 年完成自家開發的 COUPE（緊湊型通用光子引擎）驗證，並在 2026 年實現與 CoWoS 的整合，導入所謂的 CPO，也就是「共同封裝光學元件」技術，簡單來說，這就像是把原本分開擺放的光通訊設備直接搬到晶片旁邊，讓電訊號一出門就立刻轉成光，極大幅度縮短路徑、降低耗能，也讓整體系統更緊湊高效。市場層面同樣顯示出這項技術的巨大潛力。根據市場研究機構 Yole 的預測，矽光子晶片市場規模將從 2021 年的 1.51 億美元，成長至 2027 年的 9.72 億美元，年複合成長率高達 36%。這不僅反映出技術上的突破，也象徵其產業化進程正快速加速，可見，矽光子正快速進入實際應用場域，促進規模化資料運算的發展。
矽光子既然這麼強，為什麼還沒全面普及？這是我們下一篇文章要談的主題。我們將深入探討矽光子目前面臨的技術瓶頸，包括：矽基元件要如何整合外部雷射？光學封裝有多困難？怎麼用新材料來突破調變效率？當然，我們也會報導矽光子正被嘗試應用在什麼新奇的科技之中，我們將更進一步了解這條光速公路上仍未解決的路障與新希望。
參考文獻
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- 林詩茵（2024年5月7日），《AI時代掀「光」速革命！矽光子供應鏈全面進擊》，MoneyDJ 理財網。
- 鉅亨網記者王莞甯（2024年5月7日），《台積：矽光子2025年完成驗證 2026年導入封裝》，鉅亨網。