新聞說的「矽光子」是什麼？為什麼要用光代替電來傳資料

新聞常說「矽光子」「CPO」，說 AI 資料中心要「用光取代銅線」。矽光子（silicon photonics）就是用做晶片的方法，在矽上做出讓光走的細小通道，還有把電轉成光、把光轉回電的小零件。它要解決的，是資料在晶片之間、機櫃之間搬得不夠快、又太耗電的問題。要說清楚，得先說資料現在怎麼搬。

資料現在是怎麼搬的？

晶片裡和晶片之間，資料是一長串 0 和 1，大多用電來送：電壓的高低代表 0 或 1，沿著銅做的線跑。

一台 AI 伺服器裡有好幾顆晶片要一起算；資料中心裡，又有一排排放伺服器的高櫃子，叫機櫃。它們之間，資料要不停來回。AI 為什麼要一直搬資料，新聞說的「HBM」那一篇講過；這一篇講比晶片到記憶體更遠的路。

銅線為什麼越來越吃力？

送得越快，電壓一秒鐘就要上下變更多次。變得越快，銅線上的訊號就掉得越多：電流會擠到導線的表面，等於電阻變大；包著導線的絕緣材料，也會吃掉一些。線越長，訊號到另一頭就越弱、越糊。

為了讓另一頭還認得出 0 和 1，兩頭要加電路把訊號補強、修整，這要用電，也會發熱。所以速度越快，銅線能走的距離越短。以公開的乙太網路標準為例：一條通道一秒送一百億個 0 或 1 的那一代，銅纜線訂的距離大約七公尺；到了一秒一千億個，只剩大約兩公尺，差不多只夠在同一個機櫃裡用。

光好在哪？

光纖是一根很細的玻璃絲，光被關在裡面往前走。

• 損失很小：在長距離用的光纖裡，光走一公里，只少掉百分之幾。所以機櫃之間、城市之間，早就用光纖。
• 一次送很多：一根光纖裡，可以同時走好幾種顏色的光，各帶各的資料，像一條路分成好幾個線道。

代價是兩頭要轉換。晶片只會用電算，送出去之前，要把電訊號變成一閃一閃的光；到了另一頭，再把光變回電。做這件事的，是叫「光收發模組」的小盒子，插在交換器（把資料轉送到對的地方的機器）前面。

矽光子是什麼？

以前，這些轉換零件多半是分開做好、再組起來。矽光子的想法是：做晶片的方法這麼會把東西做小、做多，就用同一套方法，把光的零件也做在矽上。常見的有三種：

1. 光波導（讓光走的路）：矽上的一條細矽線，寬大約 0.5 微米、厚 0.2 微米上下（一微米是千分之一公釐），四周包著二氧化矽，也就是玻璃的主要成分。矽光子用的是人眼看不見的紅外光（波長大約 1.3 或 1.55 微米），矽對它幾乎是透明的。光在矽裡的速度，大約只有在玻璃裡的四成；兩種材料差這麼多，光就被關在矽線裡，連很小的彎都轉得過去。
2. 調變器（電轉光）：雷射發出的光是一直亮著的，調變器照著電訊號，很快地把光變亮、變暗。矽的做法，是在光路裡加進或抽走一些會跑的電荷，光在矽裡走的快慢就跟著變一點；再把光分成兩路再會合，或讓光繞一個小圓環，這點變化就變成亮暗。
3. 光偵測器（光轉電）：光照到就產生電流的零件。矽對這種光幾乎透明，抓不到它，所以常在矽上長一小塊鍺；鍺是另一種半導體，吸得到這種光。

這些都用晶圓廠的作法做。起點常是「矽、玻璃、矽」三明治的晶圓：最上面一層很薄的矽，底下墊一層二氧化矽。用黃光把光路的圖案印上去，用蝕刻刻出來，再長膜、植入、接上金屬線，用的是同一類機台。光路多寬、多厚，決定光在裡面怎麼走，所以線寬一樣要盯。

要分清楚：新聞說的矽光子，多半是負責「送」，不是用光來「算」；晶片裡的運算，還是電晶體在做。

共同封裝光學（CPO）是什麼？

現在常見的是：光收發模組插在交換器前面，交換晶片在機器中間。電訊號從晶片出發，要先走過電路板上一段幾公分到幾十公分的線，才到模組裡變成光。速度越快，這段路越吃力。

共同封裝光學（co-packaged optics，CPO），就是把「電轉光」那一段，搬進交換晶片的同一個封裝裡，緊貼著它放。電只要走幾公釐就變成光，直接從封裝接光纖出去。路短了，補訊號的電路可以簡單很多，比較省電；封裝四周也拉得出更多條資料的路。這是一般說法；也有人想放在 AI 晶片旁邊。

這跟新聞說的「先進封裝」是同一個方向：讓要一直傳資料的晶片靠得更近。矽光子把光的零件做得夠小，才放得進封裝裡，所以兩個詞常一起出現；一個是做零件的方法，一個是擺放的方式。

那為什麼還沒到處都用？難在哪？

• 矽本身不太會發光：矽很難把電的能量變成光放出來，做不成好用的雷射。所以光源常用另一類半導體（例如磷化銦）另外做，再黏上、焊上，或乾脆放在封裝外面，用光纖把光送進來。
• 光纖要對得很準：光纖裡導光的芯大約十微米粗，矽上的光路只有零點幾微米，差了幾十倍。位置偏一點點，光就少一大截。
• 怕熱：雷射和有些光的零件很怕溫度變，一變，光的顏色和強弱就跟著漂；偏偏交換晶片本身就很燙。這也是有些設計把光源放在外面的原因。
• 壞了不好換：插在前面的模組壞了，拔掉換一個；包進封裝裡的，可能要整組換。所以要先測好再包，也得夠耐用。

下次看到新聞，可以這樣讀

• 「矽光子」：用做晶片的方法，在矽上做出光的零件，把「電轉光、光轉電」做小。
• 「CPO」「共同封裝光學」：把光的零件放進跟交換晶片（或 AI 晶片）同一個封裝裡，電只走幾公釐就變成光。
• 「用光取代銅線」「光進銅退」：多半是越來越快、越來越長的那幾段路改走光；晶片裡面、靠得很近的晶片之間，大多還是用電。
• 「光收發模組」「光模組」：插在交換器上、把電和光互相轉換的小盒子。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有矽光子，也沒有用光傳資料的晶片。遊戲裡的晶片「螢火」是虛構的助聽器晶片，在封測廠裝進小模組，用細金屬線（打線）接出去，傳的是電。

最接近的是量產廠的黃光區：那裡的光是用來把電路圖案印上晶圓的，矽光子的光路也是這樣先印、再刻。在「打工人的一天」的「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到製程工程師，在名字下面點「黃光」，就是黃光製程工程師：例如午班，塗佈顯影機 TRK-01 出來的兩批，線寬一邊寬、一邊窄，要挑哪幾片重工。

遊戲裡的公司、晶片、人物都是虛構的；矽光子是什麼、難在哪，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。