PIC如何驅動新一代資料中心與量子安全時代？

光子IC (PIC)是一個比「矽光子」(silicon photonic)更廣泛且更準確的術語。如今，超大規模雲端服務供應商(hyperscaler)正在廣泛採用這種技術，以打破傳統技術在功耗和頻寬方面的瓶頸。這一轉型在技術和經濟層面上，與幾十年前電信業從銅纜轉向光纖具有根本性的不同。

目前，主要有兩個因素正在加速整合光子技術的普及與商業化進程：‌技術性能的極限‌和市場壓力‌。

傳統的電子元件基於電子微影與封裝技術，其發展已接近物理極限，這限制了摩爾定律的持續提升。不斷演進的微影製程雖能提高元件密度，但在更小體積內強行傳輸更多電子會導致熱量急劇增加，電干擾也隨之增強。相比之下，‌使用光子替代電子來承載資訊，可以顯著緩解這些問題‌。

隨著全球經濟向由人工智慧(AI)驅動的生產力轉型，以及跨境資料流程動的爆發式成長，資料傳輸的‌成本、能耗和可擴展性‌日益成為整個數位基礎設施發展中的結構性瓶頸。這使得‌整合光子學與光互連‌成為下一代數為基礎設施的關鍵推動力。而資料中心正是這一轉型的核心，並引導著資本投資流向光學運算架構。

整合光子技術在能效與輸送量方面實現了突破性的提升，這使得資料中心在進行超大規模擴展時，其‌能耗成長能夠顯著低於業務規模的擴展速度‌，從而成功擺脫了傳統系統中能耗與規模成比例同步攀升的困境。

這一趨勢與全球能源成本的上漲、愈發嚴格的碳排放法規，以及各國爭奪數位供應鏈戰略主動權的格局高度契合。其投資意義非常明確：在即將到來的投資週期中，那些能夠將光互連、光子整合晶片及節能型資料中心基礎設施成功推向商業化應用的公司，將更有可能獲得資本市場的青睞。

隱藏的驅動力

雖然上述兩大因素是推動整合光子技術發展的核心，但常被忽視的‌第三個因素也正變得愈發重要：安全性‌。單純依賴軟體層的安全措施已經越來越難以滿足需求。要獲得更高層級的信任，安全能力必須‌嵌入‌到通訊基礎設施的底層硬體之中，而不是簡單地疊加在上面。

嵌入式光子通道透過消除能被竊聽的導電路徑，大幅減少了系統的攻擊面。此外，整合光子技術能夠在硬體層面將光訊號傳輸與加密技術深度融合，例如實現真正的亂數產生，從而提供更強大的底層安全防護。

‌電信業興衰與PIC爆發的本質差異‌

在導入新技術時，人們通常會回顧過去產業中大規模的技術遷移，以預測市場在技術需求與商業價值上的變化。幾十年前，電信產業曾經歷了從銅纜到光纖的根本性轉變。儘管IC的發展看似走上了類似的路徑，但二者之間仍存在顯著差異。

．不同的「殺手級」應用驅動‌

電信產業當年採用光纖，是為了支援跨越數千公里的長距離、高資料速率傳輸。但那次擴張更多是基於對市場需求的‌預期‌而非‌已驗證‌的剛性需求。因此，當網際網路泡沫破裂時，整個產業隨之崩盤。

相比之下，當前推動整合光子技術發展的，是人工智慧和區塊鏈系統所帶來的‌真實且不斷激增的需求‌——這些服務已經讓現有的基礎設施不堪重負。與充滿不確定性的電信時代不同，我們目前看不到這些需求有絲毫放緩的跡象，而滿足現有需求本身就是一項巨大挑戰。

．相同的基本組成單元，不同的尺度

電信設備和整合光子技術使用相同的基本構件——波導、光源、調變器和光探測器。然而，當這些元件從微米縮小到奈米等級時，其背後所涉及的物理原理、製造方法，以及整合挑戰都發生了根本性的改變。

．波導‌：電信系統利用光纖來引導光訊號；而PIC則透過微影技術在晶片上製造圖形化的波導，或在某些情況下利用晶片上的自由空間光路來引導光訊號。

．光源‌：電信雷射器通常是帶有溫控模組的離散元件，並透過光學元件進行耦合；而PIC雷射器(通常為InP材質)則直接整合在晶片上，這極大地減小了體積、降低了功耗，並簡化了系統複雜性。

．調變器‌：電信調變器是離散的LiNbO₃或磷化銦(InP)元件，通常帶有公分級的光纖尾纖和耦合器；而PIC調變器可直接在矽晶片上製造，這使得調變更緊湊、更節能，並能實現高密度複用。

．光探測器‌：電信接收端使用離散的InGaAs探測器，並透過光纖連接到片外的跨阻放大器；而PIC光探測器(通常為鍺材料)則與放大器、波導和邏輯電路整合在一起，實現了高密度、低損耗的訊號轉換。

由於PIC面臨的主要挑戰是開發出能夠大規模、高效率、且在可接受的良率和精確對準精度下製造這些元件的微影與封裝製程，因此整個製造業必須不斷進化其能力。幸運的是，現成的互補式金屬氧化物半導體(CMO)S製造工具與製程已經為這一轉型奠定了堅實的基礎。

精密探針定位儀的側視圖，該探針定位在PIC晶圓上，用於在無塵室環境中進行即時光學測試。

PIC市場的投資格局

PIC領域同時具備‌研發週期長‌和‌資本需求高‌兩大特點。但其成長的驅動力來自超大規模雲端服務供應商、金融機構和去中心化網路所帶來的結構性、不可替代的剛性需求。對於那些擁有耐心資本、並深刻理解硬體規模化經濟規律的投資者而言，隨著光互連和光子安全技術逐漸成為數位基礎設施的基石，這一領域將展現出顯著的長期回報潛力。

分析當前資本投資的集中方向，焦點清晰地指向了‌封裝與互連技術‌的創新，以及‌基於光子的安全技術堆疊。這些領域恰恰對應著推動PIC採用的兩大核心痛點：高效能的資料互連，以及具備硬體級加密韌性的系統安全。

然而，投資者也必須對PIC投資的時間週期和資本強度保持清醒的現實預期。PIC新創企業的成長與發展週期遠比一般科技公司要長——通常需要‌8~14年‌才能實現規模化，並且在達到明顯的收入轉捩點前，通常需要‌4,000萬至1.5億美元‌的投入。光子技術新創公司的中位退出時間約為9年，10年期內的失敗率估計在40~60%之間(由於倖存者偏差和未公開的關停事件，實際觀察到的數字可能偏低)。

在2015~2025年間，美國在矽(Si)、氮化矽(SiN)、磷化銦和鈮酸鋰(LNOI)等不同平台上，湧現了大約35~50家具備持續發展潛力的整合光子技術公司。

根據歷史基準和產業對比來看：大多數早期新創企業(專注光子安全硬體、金融科技/交易所試點應用)，其融資前估值通常在‌1,000~2,000萬美元‌之間；而成長期的新創企業(致力於電信/金融部署、量子技術就緒的試點專案)，其融資前估值則在‌3,000~7,000萬美元‌之間。總體而言，這類公司在實現退出(透過併購或上市)前，平均需要籌集約‌1.89億美元‌，而極為成功的退出案例融資總額介於‌2,250萬至4.5億美元‌之間。最終成功退出的PIC公司，通常在退出前總計需要籌集‌1.75~2億美元‌的資金。

高價值的退出結果始終與那些擁有‌龐大可服務市場‌和‌系統級平台能力‌的公司緊密相連，例如開發同調(coherent)光通訊模組和具備廣泛應用前景的先進感測技術平台的公司。而低價值(低於2億美元)的退出，則往往發生在採用利基型PIC架構、僅提供單一元件產品策略的企業身上。

當前的退出市場環境已經發生變化。曾經為許多光學公司在2020~2021年間提供高估值退出路徑的特殊目的收購公司(SPAC)管道已經基本關閉。相反，‌分階段收購‌正變得越來越普遍。許多大公司現在更傾向於收購擁有核心技術的PIC團隊以獲得其整合能力，而非直接購買其完整的產品組合。

‌克服PIC障礙需要什麼？

隨著PIC技術從可行性驗證邁向實際部署，仍然存在幾個關鍵的挑戰。其中有三項尤為突出，值得產業集中工程力量和資本進行攻關。

‌．異質材料的整合‌

當前的製造技術可以生產出性能優異的單個PIC元件，但這些元件往往依賴於多種不同材料，這些材料很難在同一塊晶圓上實現穩定整合。例如，當磷化銦雷射器與矽材料鍵合時，兩者的熱膨脹係數不匹配會導致光耦合失準，從而大大降低產品良率。

‌關鍵研究方向：‌設計具有可擴展性的鍵合與對準技術，能夠在矽基底上整合異質材料，且滿足CMOS相容的製造公差，同時不損害熱可靠性、光學效率或產品良率。在此領域的突破將直接降低功耗、削減成本，並推動矽光子技術實現全面的規模化生產。

‌．針對高密度、高效率與高速度優化的3D封裝方法‌

目前，針對PIC的封裝技術改進主要集中在擴大生產規模和降低成本上，並未充分解決光子學所特有的精度挑戰。例如，傳統的倒裝晶片(Flip-Chip)製程根本無法滿足晶片間光耦合所需的嚴苛公差：垂直方向需要‌±1~2微米‌的精度，而水準方向則需要‌±200~300奈米‌的精度。

‌關鍵研究方向：‌開發新型的耦合或鍵合技術，以實現光子chiplet的自動化晶圓級整合，同時維持亞微米級的對準精度，且無需昂貴的人工對準或封裝後調校。該領域的成功將大幅降低封裝成本、提高良率，並使真正的晶圓級整合具備商業可行性。

‌．針對量子運算的低溫至室溫光子介面‌

低溫量子運算面臨的一個關鍵基礎挑戰，就是如何將系統可靠地連接到外部。傳統的銅互連會傳導熱量、限制頻寬，並且無法承載量子態。光子互連可以有效應對這些限制，能夠在低溫環境與室溫環境之間傳輸訊號，並在量子運算模組之間分發量子糾纏態。

‌關鍵研究方向：‌開發能夠在低溫(約4K或-269.15℃)至室溫(約300K或26.85℃‌)的寬溫範圍內穩定運行的光子收發器，同時確保波導之間保持結構和熱穩定性，並實現亞微米級的光學對準精度。該領域的突破將是實現模組化量子運算架構的關鍵一步。

‌支持這一轉型‌

PIC的商業化早已過了可行性討論的階段。未來的持續進步有賴於工程層面的實質性突破，而這需要大量的研究和資金支持。現在，電子工程師、製造科學家與投資者必須彙聚一堂，協同創新，並以能夠跟上社會對數位化服務指數級成長的需求之速度，實現技術規模化的突破。在此領域的成功，將最終定義下一個運算時代的版圖。

(參考原文：Why PICs Power Next-Gen Data Centers and Quantum-Safe Security，by Anjali Boriya、Harsh Yallapragada、Rohan Chwalek、Dam，國際電子商情Clover.li編譯)

本文原刊登於國際雁子商情網站

The post PIC如何驅動新一代資料中心與量子安全時代？ appeared first on 電子工程專輯.