專訪國產通信VCSEL領頭羊華芯半導體：砥礪八載結碩果

9/05/2023，光纖在線訊，華芯半導體成立于2015年，致力于尖端化合物半導體光電子芯片及其應用產品的研究、開發與生產。公司擁有國際先進的外延金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備、芯片工藝設備和封裝設備等，主要產品為高亮度LED、藍綠光半導體激光管、垂直腔面發射(VCSEL)光子芯片以及高亮度半導體激光芯片等。

光纖在線一直密切關注華芯半導體的發展，八年來華芯半導體可謂成果豐碩，先后突破了25G VCSEL，56G PAM4 VCSEL芯片及陣列產品，并廣泛應用于25G、100G、200G、400G、800G光模塊產品，率先突破大客戶的批量供應；此外，于近日在珠海建立晶圓代工廠，將光通信產業的經驗再拓展到光傳感、激光雷達等領域。隨著新一輪生成式人工智能應用的普及，推通數通光互聯產品迎來新一輪的增長期。近日，光纖在線有幸與華芯半導體的技術總監堯舜博士有了一次深入的交流。


光纖在線Ria：華芯半導體是國內唯一一家以IDM模式實現光通信VCSEL大規模出貨的芯片制造商。作為高精密的芯片制造工藝，團隊本身就是一個非常重要的壁壘，華芯半導體的團隊情況如何？

堯博士：是的，對于華芯半導體這樣一個IDM模式制造高端光通信芯片的企業而言，企業經營團隊要求非常高。就技術團隊而言，華芯經過8年的引進、吸收、積累、沉淀、磨合，形成了一個“頂天立地”的技術團隊。所謂頂天，我們團隊在設計、外延、芯片制程、可靠性分析等構成高速VCSEL關鍵環節方面都由國際最頂尖的標桿企業一線工作經驗超過20年以上的資深專家親自現場操刀。他們親歷了從1G、10G、25G、56G PAM4、112G PAM4的技術演變，對每一次技術升級的know how了如指掌。同時，我們還有來自國際最頂尖的砷化鎵代工廠的量產團隊。他們的特點是，在技術磨合期過了以后，可以將量產做到最完美�？梢院敛豢鋸埖恼f，華芯在高速VCSEL芯片的各個制造環節達到了頂天的水平。

芯片國產化的另外一個最重要的問題是，引進的境外先進的技術如何高效、切實的落地生根？華芯團隊中有多位在國內頂尖科研機構從事VCSEL開發超過20年的博士。他們既有VCSEL的理論基礎，又有制造經驗，有效地承接了國外專家的頂尖技術和量產經驗，并將他們與華芯一線實操工程師有機聯系在了一起，成為了技術團隊金子塔中不可或缺的中堅力量。另外，華芯還特別重視本土工程師的培養。華芯花了8年時間，從無到有培養了一個本土化工程師和技術員團隊，為國產化芯片的穩定量產提供了堅實的技術支撐和立足點，使華芯的技術既能夠“頂天”到最高速率的VCSEL開發，又能夠真正做到全國產化的穩定量產。正是在這個多年逐漸形成的“頂天立地”的技術團隊密切協作之下，華芯從1G開始，歷經10G，一步一個腳印，最終在博采眾家之長的基礎上，研發了與華芯設備高度關聯的外延、芯片制程與可靠性測試技術，真正量產了全國產的25G 和56G PAM4 VCSEL芯片，甚至在某些關鍵指標良率達到幾乎百分之百，超過國際同行。同時，華芯還為國內眾多同行貢獻了眾多本土工程師。國內應該有三分之一以上的VCSEL公司有華芯的工程技術人員支撐著這些公司砥礪前行。

光纖在線Ria：您如何看待生成式人工智能對VCSEL市場的影響？需求，性能。

堯博士：如果我們把時間拉長了來看， 即使放在整個光通信行業的發展歷史來看， AIGC不一定具備顛覆性，但作為一個現象級的存在，它帶來的技術變革對AIGC相關的數字產業生態的影響是深遠的，包括光通信在內。作為AIGC產業鏈環節中最上游的算力基礎、算力設施和數據服務，算力層是AIGC發展不可忽略的資源引擎。海量的訓推算力需求讓本就供需不平衡的當下的算力產業結構面對海量的訓推算力需求時凸顯出這種供需上的不平衡。因AIGC對底層算力的訓練和推理需求而爆發的數據洪流，對基礎設施的運算、網絡、存儲以及安全管理的處理效能提出了更高的要求。
VCSEL技術作為光通信行業上游激光器的一個細分領域，將會直接受益于AIGC應用帶來的對高速高質的光連接的海量需求。我們也注意到，AIGC話題從去年年底出現，乃至到今天依然持續霸榜，成為業內關注焦點。LC也連續更新了它對高速光模塊，尤其是400G/800G乃至1.6T模塊需求在接下來的預期。 我們對VCSEL技術在這一輪AI驅動帶來的爆發式增長感到樂觀，并為此做好了準備。

光纖在線Ria:華芯近日在珠海設立了6英寸的晶圓代工，旨在進入激光雷達，傳感市場，但像激光雷達市場往往需求車規級認證，您認為會存在存在哪些難點和挑戰？
堯博士：華芯半導體目前的芯片是工業級、系統級的應用，其對性能和可靠性的要求遠非消費類產品的可比擬的。我們第一個客戶從開始驗證到批量出貨共花了三年時間，期間所有的測試和驗廠都是一次性過的。這是國內光通信VCSEL首次完整走完整個流程，且實現大批量出貨。目前，我們的芯片已經通過國內幾乎所有光通信設備商的驗證、幾乎所有的互聯網終端客戶的驗證、大部分國內排名全球TOP10的光模塊廠商的驗證。而且，以上所有驗證測試都是一次性通過的。這應該是國內絕無僅有的。華芯半導體之所以能夠一次性通過這些頭部客戶的驗證，是因為在國內外專家的指導下，華芯半導體建立了一個嚴格、表里如一的質量體系。華芯半導體非常歡迎客戶驗廠。我們把每一次客戶驗廠都當作華芯質量體系的學習提升的過程。華芯建立了有自己特色的公司質量文化。

華芯在珠海設立6英寸晶圓代工線，根據國內外供應鏈的現狀，只做代工產品。而且，市場有代工的產品，華芯泰州公司就不再涉足，比如激光雷達、傳感等。當然，通過車規級認證將會面臨著很多難點和挑戰，畢竟產品所面對的應用場景不一樣。華芯珠海公司將傳承華芯泰州公司的質量文化，以體系建設為先導，全面推進公司的文化建設。我相信，有了華芯泰州光通信認證的基礎，只要保持和華芯泰州公司一致的質量標準，華芯珠海公司通過車規級認證只是時間的問題。

光纖在線Ria：您之前提到過，越高性能的VCSEL可靠性難度也增加，華芯半導體素來以可靠性為重點突破，又是怎么克服這樣的困難？（或者說華芯半導體可靠性控制的獨特優勢 ）

堯博士：的確是這樣的，就目前而言，業界商用化的高速光通VCSEL都是采用氧化限制層型VCSEL結構。在這個結構框架下，從10G到25G NRZ再到后邊的56G PAM4、112G PAM4，每一次速率的提升都伴隨著芯片量子阱內建應力和電流密度的提高，同時采用越來越復雜的結構或工藝優化調整芯片中氧化層相關的寄生參數。換句話說，為了獲得速率的提升，一方面我們利用電和應力等手段不斷增加對半導體材料的性能壓榨，同時又在利用光刻、氧化等工藝手段對半導體晶體材料內部進行越來越復雜的手術�？梢哉f，在同等制造能力（包括外延水平、芯片制程能力）情況下，隨著芯片速率的增加，芯片可靠性難度的增加可以說是“肉眼可見的”。

正是基于這個認識，華芯與全球其它為數不多在高速VCSEL芯片制造獲得成功的芯片大廠一樣，堅持采用IDM模式開發和制造光通VCSEL芯片。芯片性能和可靠性首先取決于外延結構和質量。掌握了外延這一化合物半導體芯片的核心技術并不斷優化以獲得高質量的半導體芯片材料和高性能的芯片內部結構，為后續成品高速VCSEL芯片制造提供了充滿活力的、健康的身板。接下來芯片制程技術的優化及與外延工藝的匹配則是如何完美體現成品芯片性能不可或缺的一步。得益于IDM模式，我們清楚我們自己設計、制造的外延材料內部每一個細節結構和特點，進而利用光刻、氧化等半導體工藝手段對其進行微觀精細改造，最大程度上在激活半導體材料內部機能的同時又保證了其“身體健康”，讓我們的芯片性能和可靠性同時達標。

華芯半導體自有完備的外延和芯片產線，以IDM模式制造高速光通VCSEL芯片，既解決了性能和可靠性雙達標這一困擾了國內行業多年的難題 ，又從制造角度實現了真正的國產化，解決了“卡脖子”問題。實現這一質的飛躍，關鍵在于技術基礎的積累和踏踏實實的制造工藝窗口確認、穩定和擴大。有別于硅基半導體產業，化合物半導體光電子芯片沒有固定的標準生產線，特色工藝和自制設備、定制設備占比較大，因此無法通過簡單的copy全套工藝來獲得制造成功。這也是盡管華芯專家團隊具備全套的經驗和技能，仍然與其它VCSEL標桿性世界大廠一樣，帶著華芯本土國隊老老實實從1G、10G開始從頭做起的原因。從最簡單的產品開始摸索獲得產線配置的工藝邊界和極限，并在此基礎上建立并穩定自己的外延、芯片及輔助產線相關工藝，站穩低速平臺后，逐漸加入新的技術元素，完成從低速向高速切換跨入25G平臺，并通過大規模的生產和出貨，實現產線工藝窗口的最大化和穩定性，在此基礎上才進一步向56G及更高速器件發展。正所謂萬丈高樓平地起，華芯用了7年時間將專家團隊的經驗成功轉移到產線制造中，完成了從1G到56G PAM4的一步一個臺階的攀登，我們在每個臺階上都刻意停留，夯實基礎，擴大工藝窗口，明確邊界，穩定產出，為跨入下一個臺階做好了充分的準備。這也是為什么華芯每一次新一代產品的出現都是水到渠成的原因。其實很多工作都在上一代產品穩定出貨期間就已經完成。換個角度講，如果前一代產品沒有完成應該完成的工作，則不可能出現下一代產品�？梢哉f，芯片制造本身是最笨的工作。它沒有大家喜聞樂見的彎道超車、跨越式發展，因為制造中的一切數據變化都來源于切實的制造工藝改變，而不僅僅是設計工作中的數據修改，只有踏踏實實的工藝數據積累和踩坑及爬坑過程。華芯只是在高水平專家的帶領下做到主動踩坑準，摸邊界快，爬坑快，再加上積累時間長。這就是我們的獨特優勢。有一組數據可以說明其中的艱辛：華芯經歷了近萬片的流片、多達幾百個DOE組合，才完成了現有的工藝迭代，摸索出現有的工藝窗口，確定現有的工藝邊界，從而實現了在盡最大限度壓榨芯片性能的同時，將可靠性推到了非常大的冗余邊界，奠定了華芯芯片在國內的好名聲。只有這樣做，我們的工藝窗口才能開得更大、更穩定，從而在更高的速率上實現性能與可靠性雙達標的才水到渠成。而這些工作不是委托代工廠可以做到的。

一直以來，光通信VCSEL的產業鏈很明晰，因為光通信VCSEL理論較為成熟，芯片性能設計相對容易，而成功的關鍵在于制造工藝，以及如何能夠高水平重復穩定實現芯片的性能和可靠性雙達標。所以，博通、相干、索尼等國際光通信大廠都保持著IDM模式，把工藝窂窂把握在自己手上，不交給代工廠。光通信VCSEL已經商用20多年了，生態一直如此。如果代工能夠解決性能和可靠性問題，也不會等到2023年。如果代工廠把這個問題解決了，則博通、相干等公司一定會退出這個市場。因為代工廠會了，全世界都會了。代工廠不會只給某個特定公司代工，所有人都可以去找該代工廠代工，因此，行業的技術壁壘也就沒有了，就像消費級的VCSEL一樣。這是一個很簡單的商業邏輯。


光纖在線Ria：市場方面，當前華芯半體25G/56G的VCSEL出貨量如何？112G推出的時間點會在什么時候？
堯博士：截止到2023年8月，華芯25G系列VCSEL累計出貨600+萬通道；去年下半年開始56G PAM4系列VCSEL也通過國內多個頭部客戶認證，目前已出貨超過了10萬通道，并在不斷加速；

112G PAM4 VCSEL是與生成式AI爆發配套的“明星”。華芯半導體在現有成功大批量量產25G和56G PAM4 VCSEL基礎上，通過新技術的引入，實現了迭代開發。作為國產IDM芯片制造企業，我們的特點是新產品開發技術方案必須兼顧可靠性和性能雙達標，同時開發和量產共享同一個制造平臺。該特點決定了我們從送樣樣品到量產芯片過渡非常迅速，不會出現因對高速VCSEL結構內在機理和工藝平臺缺乏足夠認識而造成的近兩年芯片行業內廣泛詬病的，性能樣品通過后可靠性驗證無法通過的問題，或樣品驗證通過而無法量產供貨的問題。另一方面，經過近幾年的量產出貨，國內頭部客戶對華芯的全國產VCSEL芯片逐步建立了信心。這非常不容易。因此，我們對于新一代樣品的送樣非常慎重。我們希望和之前的25G和56G PAM4 VCSEL芯片一樣，在眾多頭部客戶處可靠性和性能測試一次性通過。因此，盡管目前國內多個大客戶對我們112G PAM4 VCSEL芯片階段性樣品需求迫切，我們仍然保持定力，不跟風而動。我們做法和之前的25G和56G PAM4一樣，送樣的版本即是量產的版本。我們將在市場時機均成熟的時候，我們再正式發布和推出華芯的112G PAM4量產版本芯片樣品。