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矽光子收發器2024年產業規模約41.4億美元
積體光學(PIC)收發器的市場將從2018年的約40億美元成長到2024年的約190億美元，數量從約3000萬台增加到約1.6億台。根據產業研究機構Yole Développement(Yole)的研究指出，對PIC的最大批量需求是數據和電信網絡中的數據中心互連(或DCI)，新的應用將出現，如5G無線技術、汽車或醫療感測器。如Google、蘋果、Facebook、亞馬遜和微軟等大型網路公司如今已成為部署矽光子技術的推動力。
PIC由許多不同的材料構建，在特製的製造平台上，包括矽(Si)、磷化銦(InP)、二氧化矽(SiO2)、鈮酸鋰(LiNbO3)、氮化矽(SiN)、聚合物或玻璃。PIC旨在將半導體，特別是晶圓級製造的優勢帶入光子學。與傳統光學元件相比，PIC的優勢包括更小的光子晶片、更高的數據速率、更低的功耗、更低的每位元數據成本和更好的可靠性。PIC正在逐步取代垂直共振腔面射雷射(VCSEL)，以增加Datacom網路中的頻寬和距離。PIC用於連續或非連續模式的高數據速率收發器(100G及以上)。將來，當需要緊密整合電子和光子學時，將需要PIC。
矽光子的年複合平均成長率最高為44%，市場規模將從2018年的約4.55億美元成長到相當於130萬套，到2024年達到約40億美元，相當於2350萬套。從地鐵到長途/海底的DCI是最大的市場，連貫的電信和感測器只是一小部分。5G即將到來，未來也可能涉及大量產品。矽光子市場目前只涉及一些參與者：Luxtera/Cisco、Intel、Acacia和InPhi。英特爾於2016年推出支援100G通訊的矽光子QSFP收發器。該公司每年出貨100萬套產品於數據中心，英特爾的400G產品預計將在2019年下半年投入量產。
英特爾已成為矽光子的光學收發器第二大供應商，該公司的收發器包含兩個獨立的模組，該發送器通過在倒裝晶片配置中的主矽晶片上進行鍵合，整合了多個InP雷射和CMOS晶片。在主晶片上，Mach-Zehnder調製器對訊號進行編碼，其他元件聚焦或隔離信號。使用來自MACOM的四通道25G光CDR元件處理數據。接收器功能由四個鍺光電二極體管芯和TIA電路執行。
半導體工業4.0最後一哩路難在上雲端 破除資安迷信最關鍵
運算需求起伏不定 自建資料中心考量多
為了加快晶片設計、製程研發的速度，半導體業者需要更強大的運算資源。藉由機器學習分析機台狀態，讓歲修維護排程更合理化，以提高稼動率，也需要龐大的運算資源。但對半導體業者而言，要靠自有的資料中心來滿足其運算需求，建置跟維護的成本非常高昂，而且伺服器的利用率不見得都能維持在高檔，讓投資效益發揮到最大。
因此，半導體業者必須設法找到其他替代方案，才能繼續推動其智慧製造，例如使用公有雲的資源。事實上，台積電、新思(Synopsys)與益華電腦(Cadence)等半導體業界的領導大廠，都已經開始採用公有雲，或是發展出以雲端為基礎的軟體授權模式。
半導體是一個已經高度自動化的行業，換言之，這也是一個日常運作無法離開電腦運算的行業。從IC設計階段的模擬(Simulation)、驗證(Verification)到半導體製造業者研發新製程，或是維持現有生產線的運作，都需要極大的運算能力來支援。
然而，半導體企業對運算能力的需求水準波動非常劇烈。以IC設計來說，當晶片設計流程走到中後段，要進行設計模擬、驗證的時候，對運算能力的需求會達到顛峰，往往得用多台伺服器同時跑十多個小時，甚至兩三天，才能得到一次模擬結果。但在IC設計的前段，做電路合成(Synthesis)、時序收斂(Timing Closure)跟線路布局(Place & Route)的時候，對運算資源的需求則遠低於設計模擬跟驗證，常常幾個小時就能完成一次設計迭代(圖1)。
圖1 當前半導體設計製造環節所面臨的挑戰
因此，當IC設計公司裡面有多個團隊同時在開發晶片時，專案的排程跟協調就變得十分重要，否則公司自有的伺服器資源會不敷使用。試想，當所有設計團隊同一時間都要做設計模擬跟驗證，其排隊等待時間會有多長？
對於運算資源不足的問題，最直觀的解決方案就是擴建自有資料中心的容量，但因為運算需求波動幅度大，加上伺服器採購金額不低，後續還會衍生出維護、折舊等費用，因此IC設計公司的相關採購，通常是審慎而保守的。
除了IC設計工程師之外，電子設計自動化(EDA)工具業者是遇到上述問題的第一線業者，因此許多EDA大廠早在幾年前就開始探索使用公有雲的可能性跟對應的商業模式。跟自建資料中心相比，公有雲方案最大的優勢在於按照用量計費所帶來的彈性--當運算或儲存需求進入尖峰期時，使用者只要額外付費就可以取得所需的資源。目前幾家重要的EDA公司，如新思、益華、明導國際(Mentor Graphics)跟安矽思(Ansys)，都已經有對應的布局動作。
對半導體製造業者來說，情況也類似。由於產線高度自動化，甚至已經開始採用大數據分析、機器學習等軟體工具，晶圓廠的生產線只要一開動，就會需要對應的運算能力來執行這些軟體。然而，除了既有生產線之外，晶圓製造業者還要不斷開發新製程，來滿足未來的市場需求。不管是更細的線寬或採用新的材料，都需要反覆進行模擬跟數據分析，而這些工作就跟IC設計的模擬、驗證一樣，需要大量運算能力支援。
公有雲方案解難題 資安迷信仍待破除
對於需要龐大運算資源來支撐其運作的半導體業者而言，公有雲是一個很彈性的選擇。公有雲具有龐大的運算能力跟儲存空間，還有各式各樣的伺服器可供選擇，當半導體業者需要額外的運算能力或儲存空間時，可以付費租用，不需要的時候，則只要取消訂閱就不會有費用支出。
但由於半導體業者手上的資料，例如生產製程參數、配方、IC設計檔案，都是非常敏感的機密資料，因此相關業者對於資料離開公司，通常有十分嚴格的管制，因此要說服半導體業者接受公有雲，往往是在挑戰客戶對資訊安全的「信仰」。
微軟(Microsoft)專家技術部雲平台解決方案副總經理呂欣育就表示，公有雲對於半導體業者來說，是一個非常有效益的解決方案。台積電就在5奈米製程研發上與微軟合作，在台積電原本就擁有的資料中心之外，搭配Azure平台的運算資源跟資料儲存空間，來加快專案開發的速度，結果讓5奈米的研發試產(Pilot Run)比預定時程提前了9個月，效果十分理想。
台積電表示，該公司希望在半導體製程代工持續維持領先地位，但根據摩爾定律(Moore's Law)，每18個月晶圓上電體密度就增加一倍，用來運算半導體製程所需要的基礎建設更是大量增加6倍，公司現有的本地端伺服器運算量能追趕得很辛苦，也沒辦法調校到最佳化狀態。
在這個情況下，台積電還要持續推進先進製程，這也需要大量的運算資源來進行各種模擬，所以台積電的運算資源其實是很吃緊的。微軟的Azure方案跟EDA大廠新思、益華電腦在這方面幫上很多忙，藉由Azure的高速運算架構，台積電在20分鐘內就建構了10萬個運算單元，大量縮短了先進製程的研發速度。台積電基礎建設行銷部資深處長Suk Lee對於這個結果感到非常滿意(圖2)。
圖2 由於微軟Azure跟EDA大廠協助，台積電5奈米SRAM研發進展超前進度9個月，讓微軟獲得台積電的年度最佳雲端夥伴獎。
當然，矽智財(IP)的保護會不會因為資料上雲端而出現漏洞，是利用雲端運算最大的疑慮。也因為如此，微軟跟EDA業者在雲端方案上投入了相當多資源來建置各種關鍵資訊管理機制，以確保公司寶貴的IP資訊不會外流。
但除了台積電比較勇於嘗試之外，呂欣育坦言，大多數半導體業者對於資料上公有雲一事，態度還是相當保守。他可以理解半導體客戶將資安視為第一要務的想法，但要實現資訊安全，是要把細節攤開來逐一檢視，看哪個環節可能有問題，該如何改善，而不是以為資料不出公司大門就能永保安康。如果公司內部的資安政策模糊不清，資料放在公司裡面還是會出事。
就他與許多半導體公司溝通的經驗，有些半導體公司的資安政策是很有問題的，因為連公司內部的IT團隊，對自家的資安政策也說不出個所以然來，只知道資料不出門就對了。這種資安政策與其稱之為政策，或許說是「宗教信仰」還更貼切些。而這就是說服半導體產業接納公有雲最大的障礙。
不過，呂欣育對於半導體業者接納公有雲的趨勢，還是相當有信心。像台積電、新思、益華等業者，在半導體產業屬於燈塔型客戶，是引領產業發展趨勢的重要指標。在這些客戶的帶領跟示範下，未來會有更多客戶願意評估採用公有雲方案的可能性。
擁抱雲端將是新創IC業者最佳解
除了像台積電這種世界級大廠之外，規模較小的IC設計新創業者，也很適合使用雲端解決方案。一般認為，基於雲端的EDA工具方案會購買傳統授權來得彈性跟便宜，但其實真相有些複雜。基於雲端的EDA工具套件在授權模式方面確實比較彈性，但其實單價反而比傳統授權來得高。所以，對IC設計大廠來說，採用雲端EDA工具，只有彈性上的優勢，想藉此節省軟體授權費用，機會其實不大。
但對新創公司來說，因為EDA業者普遍樂於培植新客戶，因此在授權上通常都會給新創公司一定程度的優惠價格。針對雲端EDA工具，大多數EDA業者也樂於給新創公司同樣的優惠待遇，所以新創業者使用雲端EDA，單位成本會比IC設計大廠來得便宜。
除了軟體授權費用的優惠之外，IC設計離不開高效能運算基礎建設，但新創IC設計公司未必有充分的資源建置跟維護本地端的伺服器機房，因此，轉向雲端，利用網路大廠公有雲上的運算跟儲存資源，可以省下大筆營運開支，這也是吸引新創IC設計公司直接上雲端的主要誘因之一。
微軟雲端產品經理蕭博仁就指出，因為他過去是IC設計工程師出身，很清楚IC設計流程離不開高效運算跟大量儲存的現實。既有的IC設計大廠內部，不同團隊都是靠排程來協調資源配置。IC設計大廠的產品線跟專案通常都已經相對穩定，所以靠排程的方法來解決資源配置的問題，還能行得通。但如果是新創公司，撇開沒有足夠資源養IT團隊來維護自有機房的問題，因為產品線還沒定型，所以要靠專案排程來協調資源配置，難度也會比已經穩定運作的IC設計公司來得高。
事實上，RISC-V架構陣營裡的主要推手--新創IC設計服務公司SiFive，就是微軟Azure的使用者。因為在Azure上已經有完整的IC設計流程工具，SiFive只花了3個月就開發出基於台積電28奈米的64位元新型CPU。
所以，蕭博仁認為，半導體產業上雲端，除了指標性的國際大廠之外，新創公司擁抱雲端的速度也會比既有的公司來得更快。因為善用雲端資源，成本效益遠比靠傳統做事方法來得高太多了。
半導體業邁向工業4.0 破除資安迷信最關鍵
相較於絕大多數製造業還在建置工業物聯網，半導體產業早已完成廠務、機台設備的聯網，走到大數據分析跟機器學習的階段。因此，相較於其他製造業的智慧製造，多半還停留在硬體投資階段，半導體產業目前所面臨的智慧製造課題，主要來自於軟體跟服務領域。
為了加快晶片設計、製程研發的速度，半導體業者需要更強大的運算資源。藉由機器學習分析機台狀態，讓歲修維護排程更合理化，以提高稼動率，也需要龐大的運算資源。但對半導體業者而言，要靠自有的資料中心來滿足其運算需求，建置跟維護的成本非常高昂，而且伺服器的利用率不見得都能維持在高檔，讓投資效益發揮到最大。
因此，半導體業者必須設法找到其他替代方案，才能繼續推動其智慧製造，例如使用公有雲的資源。事實上，台積電、新思(Synopsys)與益華電腦(Cadence)等半導體業界的領導大廠，都已經開始採用公有雲，或是發展出以雲端為基礎的軟體授權模式。
運算需求起伏不定 自建資料中心考量多
半導體是一個已經高度自動化的行業，換言之，這也是一個日常運作無法離開電腦運算的行業。從IC設計階段的模擬(Simulation)、驗證(Verification)到半導體製造業者研發新製程，或是維持現有生產線的運作，都需要極大的運算能力來支援。
然而，半導體企業對運算能力的需求水準波動非常劇烈。以IC設計來說，當晶片設計流程走到中後段，要進行設計模擬、驗證的時候，對運算能力的需求會達到顛峰，往往得用多台伺服器同時跑十多個小時，甚至兩三天，才能得到一次模擬結果。但在IC設計的前段，做電路合成(Synthesis)、時序收斂(Timing Closure)跟線路布局(Place & Route)的時候，對運算資源的需求則遠低於設計模擬跟驗證，常常幾個小時就能完成一次設計迭代。
因此，當IC設計公司裡面有多個團隊同時在開發晶片時，專案的排程跟協調就變得十分重要，否則公司自有的伺服器資源會不敷使用。試想，當所有設計團隊同一時間都要做設計模擬跟驗證，其排隊等待時間會有多長？
對於運算資源不足的問題，最直觀的解決方案就是擴建自有資料中心的容量，但因為運算需求波動幅度大，加上伺服器採購金額不低，後續還會衍生出維護、折舊等費用，因此IC設計公司的相關採購，通常是審慎而保守的。
除了IC設計工程師之外，電子設計自動化(EDA)工具業者是遇到上述問題的第一線業者，因此許多EDA大廠早在幾年前就開始探索使用公有雲的可能性跟對應的商業模式。跟自建資料中心相比，公有雲方案最大的優勢在於按照用量計費所帶來的彈性--當運算或儲存需求進入尖峰期時，使用者只要額外付費就可以取得所需的資源。目前幾家重要的EDA公司，如新思、益華、明導國際(Mentor Graphics)跟安矽思(Ansys)，都已經有對應的布局動作。
對半導體製造業者來說，情況也類似。由於產線高度自動化，甚至已經開始採用大數據分析、機器學習等軟體工具，晶圓廠的生產線只要一開動，就會需要對應的運算能力來執行這些軟體。然而，除了既有生產線之外，晶圓製造業者還要不斷開發新製程，來滿足未來的市場需求。不管是更細的線寬或採用新的材料，都需要反覆進行模擬跟數據分析，而這些工作就跟IC設計的模擬、驗證一樣，需要大量運算能力支援。
公有雲方案解難題 資安迷信仍待破除
對於需要龐大運算資源來支撐其運作的半導體業者而言，公有雲是一個很彈性的選擇。公有雲具有龐大的運算能力跟儲存空間，還有各式各樣的伺服器可供選擇，當半導體業者需要額外的運算能力或儲存空間時，可以付費租用，不需要的時候，則只要取消訂閱就不會有費用支出。
但由於半導體業者手上的資料，例如生產製程參數、配方、IC設計檔案，都是非常敏感的機密資料，因此相關業者對於資料離開公司，通常有十分嚴格的管制，因此要說服半導體業者接受公有雲，往往是在挑戰客戶對資訊安全的「信仰」。
微軟(Microsoft)專家技術部雲平台解決方案副總經理呂欣育就表示，公有雲對於半導體業者來說，是一個非常有效益的解決方案。台積電就在5奈米製程研發上與微軟合作，在台積電原本就擁有的資料中心之外，搭配Azure平台的運算資源跟資料儲存空間，來加快專案開發的速度，結果讓5奈米的研發試產(Pilot Run)比預定時程提前了9個月，效果十分理想。
但除了台積電比較勇於嘗試之外，呂欣育坦言，大多數半導體業者對於資料上公有雲一事，態度還是相當保守。他可以理解半導體客戶將資安視為第一要務的想法，但要實現資訊安全，是要把細節攤開來逐一檢視，看哪個環節可能有問題，該如何改善，而不是以為資料不出公司大門就能永保安康。如果公司內部的資安政策模糊不清，資料放在公司裡面還是會出事。
就他與許多半導體公司溝通的經驗，有些半導體公司的資安政策是很有問題的，因為連公司內部的IT團隊，對自家的資安政策也說不出個所以然來，只知道資料不出門就對了。這種資安政策與其稱之為政策，或許說是「宗教信仰」還更貼切些。而這就是說服半導體產業接納公有雲最大的障礙。
不過，呂欣育對於半導體業者接納公有雲的趨勢，還是相當有信心。像台積電、新思、益華等業者，在半導體產業屬於燈塔型客戶，是引領產業發展趨勢的重要指標。在這些客戶的帶領跟示範下，未來會有更多客戶願意評估採用公有雲方案的可能性。