過去五十年，主宰科技進步的是一條黃金法則：摩爾定律。每隔約 18 個月，工程師便能將晶片上的電晶體數量翻倍，從而讓電腦的運算能力如指數曲線般不斷攀升，世界也因此變得越來越快。然而，隨著我們邁入 AI 時代，這條黃金法則開始失靈。
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問題不只是工程師能否繼續縮小電晶體，更在於資料傳輸量過於龐大，導致晶片間的訊號溝通變慢、耗電增加，頻寬無法跟上需求 。
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因此，要突破「算力」的極限，首先必須解決「資料流動性」的問題。為了突破這個瓶頸，科學家將目光投向了自然界中最快的——光。矽光子技術正是試圖將光纖通訊的高速與低能耗優勢，直接引入矽晶片中。
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傳統的傳輸方式為何會出現瓶頸？光傳輸能帶來哪些顛覆性的優勢，打破電子傳輸的物理極限？矽光子能否拯救摩爾定律的效益？它又將如何重新定義半導體產業的未來格局？抑或，這不過是另一個美好的科學願景？
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光革命：從電子到光子
過去，晶片的訊號傳輸使用鋁作為導線，但鋁的導電性有限。1997 年，IBM 改用銅互連（copper interconnects），讓電子能更順暢地在晶片中移動。由於銅的導電率比鋁高，電流能以更少的能量通過導線，晶片在相同功耗下就能運算得更快，也讓摩爾定律得以延續十多年。
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然而，當晶片製程推進到奈米級時代，問題開始浮現。為了塞進更多電晶體，導線必須變得更細、更長。但導線一旦變細，電子流動的「通道」就變窄，電阻上升、能量損失變多，這些損失最終都化為熱。為了讓訊號順利通過，工程師只能提高驅動電壓「推電子走得更遠」，結果又產生更多熱。晶片因此陷入惡性循環——為了跑得快，電要更多；電多了，熱就更多；熱多了，反而又跑不快。這就是所謂的「功率牆」（power wall）。
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國立陽明交通大學光電系劉柏村講座教授指出，除了功率牆之外，還有一個更麻煩的問題：「I/O 瓶頸」。當資料要在晶片與晶片之間、或伺服器之間交換時，電子訊號必須穿過這些密密麻麻的銅線。線路太細、太長，訊號在中途就會變慢、變形、甚至失真。結果是晶片早就算完了，資料卻還在路上。
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這些現象的根本原因，其實都來自銅線在電子傳輸速度與能耗上的物理極限。到目前為止，我們仍找不到一種能量產、且傳送電子訊號又比銅更有效率的材料。於是，科學家開始換個方向思考：既然電子跑不動，也許該讓「光」來接手。因為光子的物理特性能避開電子在晶片中所遭遇的困境。
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首先是頻寬的突破。 劉柏村教授比喻說：「如果銅線是一條只能單向行駛的公路，那光傳輸就像多層立體的高速道路。」這就是多波長分波傳輸技術（wavelength division multiplexing, WDM）的原理。它讓同一條光路能同時傳輸多種不同顏色的光訊號，也就是多個資料頻道並行。這種「多車道」設計讓頻寬成倍甚至成百倍提升，直接突破了長年困擾晶片設計的 I/O 瓶頸。
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其次是能耗的瓦解。光在傳輸時沒有電阻與發熱問題，幾乎不需要額外能量推動。每傳送一個 bit 的資料，只需極微小的能量。這讓光能從根本上瓦解功率牆。換句話說，光不只是比電子快，而是用完全不同的物理方式，重新定義了「資料傳輸」這件事。
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而當我們讚嘆光子技術的物理優勢時，一個更深層的問題浮現：矽光子真的是半導體產業的未來嗎？
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/12/2-1更_670x460.jpg" />
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矽光子真的是半導體產業的未來嗎？
國立陽明交通大學講座教授、鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中指出，即使沒有矽光子，半導體的發展仍能靠先進封裝與材料創新持續推進，但速度將明顯放緩。因為在 AI 巨量資料的時代，現有的電子傳輸無法突破最關鍵的兩大瓶頸——I/O 傳輸速率與功率消耗。當這兩個環節受限，整體系統效能就會被鎖死，再快的晶片，也帶不動整個系統。
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劉柏村教授也提出類似的觀點。他指出，這個問題在 AI 時代特別嚴重，因為 AI 與雲端運算需要成千上萬臺伺服器協同工作，但電子訊號的傳輸距離有限。這造成了整個資料中心的設計困境：機櫃與機架不能拉太遠，否則資料變慢、耗電變高；結果是佈線變複雜、冷卻成本上升、能源浪費、系統擴充性下降。再多伺服器堆在一起，也不一定能讓運算變快，反而會卡在資料傳不動與電費過高的瓶頸。
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未來的大型 AI 系統需要跨機櫃、跨資料中心，甚至共享記憶體池，要達到那樣的資料交換規模，只靠電子纜線已經不可能。正因如此，矽光子成為突破口。它不只是提升傳輸速度的技術，而是一場運算架構的根本性轉變。
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電腦世界正在從「仰賴一顆超強晶片」的時代，轉向「以光連結多顆晶片，形成高速網路共同運算」的新時代。劉柏村教授認為，這樣的轉變將重新定義我們衡量晶片性能的方式：「過去我們問晶片『你有幾個核心？』 未來會改問『你的資料通路多快？多省電？可以連多少記憶體？能接多少 AI 加速器？ 在整個光網裡扮演什麼角色？』」
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往後，光不只負責傳輸，還可能直接參與運算，例如在矩陣計算或 AI 神經網路中，利用光學特性執行部分計算任務。屆時，整個晶片設計與運算架構都將被徹底改寫。
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這是否意味著，光，終將取代電子？
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光電混血時代：臺灣半導體的新戰場
光是否取代電子？答案是否定的。劉柏村教授明確指出，矽光子技術的目的從來不是取代電子，而是：「讓電子和光合作。」未來的晶片世界，將走向一種「混血架構」，讓光與電各司其職、互補運作。
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在晶片內部的極短距離範圍，例如： CPU、GPU 或 SRAM，電子訊號仍是速度最快、能效最高的選擇。運算與邏輯控制依舊是電子的主場。但當資料必須傳得更遠，跨晶片、跨封裝、甚至跨機櫃時，電子訊號會因電阻與熱效應而「跑不動」。這時，光訊號登場，成為連接這些運算單元的「光骨幹」。簡而言之，晶片用電子算，用光連起來，這種光電協作的模式，正是突破功耗與頻寬極限的未來方向。
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這場技術變革不僅改變了晶片的內部結構，也正重塑整個半導體的製造邏輯。過去，光與電子是分開設計。光模組位於主機板之外，資料須先離開晶片、經由電線傳到光模組，再轉成光訊號傳輸。但如今，為了降低能耗與延遲，光模組逐漸移往晶片邊緣，甚至直接封裝進晶片或 AI 加速器旁，成為資料中心內部的高速骨幹。
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這種設計上的改變，也讓製造模式發生根本轉向，使晶片不再只是邏輯電路的代工產品，而是邁向「邏輯晶片＋矽光子＋先進封裝三合一」的新架構。台積電的 COUPE 與 SoIC 技術 ，正是這種光電整合的典型代表。
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這樣的轉變，讓臺灣占有優勢。臺灣擁有從晶圓製造、封裝測試，到伺服器與機櫃組裝的完整供應鏈，能以最快速度完成從研發、試產到整機整合的全流程。除了台積電的先進封裝技術外，工研院在光引擎與量測平臺上的布局，再加上廣達、鴻海等 AI 伺服器廠的製造實力，讓臺灣在矽光子量產的起跑線上具備全球級競爭力。
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不過，臺灣仍面臨幾項挑戰。部分光電整合關鍵元件仍需仰賴國際供應鏈，尤其在雷射光源、光電整合設計與測試良率方面，仍落後美國與歐洲。若未來要真正站上領先地位，臺灣必須強化光子引擎量產、雷射供應鏈本土化、以及光電設計平臺與人才培育，才能在全球矽光子競賽中維持競爭力。
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（客座總編輯｜國立臺灣科技大學光電工程研究所 李三良講座教授；研究顧問團隊｜國立陽明交通大學講座教授、鴻海研究院半導體研究所所長郭浩中、國立陽明交通大學光電系講座教授劉柏村；責任編輯｜曹盛威、洪孟樊）