一、前言
隨著人工智慧（AI）運算和高效能運算（HPC）系統規模的爆炸式成長，處理器與記憶體/加速器晶片間的資料傳輸已經達到瓶頸。傳統電互連（如銅線）的頻寬與距離受到物理限制，功耗和延遲隨距離迅速惡化。光互連被視為突破之道，然而矽光子或雷射（如VCSEL）方案在短距離傳輸尚存在功耗高、成本高、封裝相對具有挑戰性等問題。在此背景下，源自顯示技術的MicroLED平行光互連技術脫穎而出。MicroLED具有體積微小、可高密度陣列排列、易與CMOS製程整合等優點，能製作成數百通道的平行光傳輸連結，提供遠優於銅互連的頻寬密度與能效。特別是在1～10公尺這一電互連效能不佳，而傳統光傳輸方案又嫌過度的中距離範圍內，MicroLED光連結被認為是最理想的解決方案。近期產業與學研界積極推進此技術，使其從概念走向實驗驗證，期望可以成為未來晶片對晶片（Chip-to-Chip）高速連結的重要技術項目之一，亦是AI計算、感測與全像立體顯示之關鍵超寬頻數據通道方案選項之一[1-3]。
二、產業現況與應用潛力
目前MicroLED光互連正從實驗室走向商業化，新創公司和研發機構積極投入。美國新創公司 Avicena 為該領域的領頭羊之一，專注開發名為「LightBundle™」的超低功耗光連結技術 (如圖1)。LightBundle採用GaN MicroLED陣列作為發射器，搭配矽基光電二極體(PD)陣列作接收端，透過多芯光纖束（Multi-core Fiber, MCF）連接兩端晶片。每條光纖對應一對MicroLED/PD通道，形成數百條平行光通道，總傳輸容量可達到數Tb/s等級。Avicena已展示其技術可在10公尺距離下運作良好，實現低於2 pJ/bit，且目標可進一步降至1 pJ/bit以下。相比之下，傳統短距傳輸的VCSEL光連結的能耗通常為5 pJ/bit甚至更高，因此LightBundle明顯更具能源效率。該公司宣稱其介面頻寬密度超過1 Tbps/mm晶片邊緣，能效可較現有方案提升5倍以上。如此高的頻寬密度和低功耗特性，使其非常適合HPC/AI加速器集群內部、處理器與高頻寬記憶體（HBM）之間，以及不同小晶片（chiplets）間的數據傳輸需求應用[4]。
法國CEA-Leti研究院近年發表多項MicroLED光通訊研發成果，包括GaN-on-Si微發光元件直接轉移整合、微光源/微感測陣列在ASIC上的整合製作等。驗證了可見光MicroLED平行傳輸在1~10公尺範圍內大有可為，並強調此技術有望顛覆超級電腦的架構，讓處理器不再受限必須靠近才能高速連線之限制。再者，2025年初新創公司HyperLume獲得Intel資本投資1,250萬美元，顯示大型晶片企業對MicroLED光互連之重視[5]。現行國際大廠包括記憶體大廠三星、SK海力士、美光等均已對MicroLED光互連技術進行投資，顯見其對大量資料在處理器與記憶體/儲存間的傳輸需求敏感，視MicroLED光連結為突破瓶頸的潛力技術。
圖1 Avicena’s 「LightBundle™」技術運作架構 (Image used courtesy of Avicena)
資料來源：ALL ABOUT CIRCUITS (2022/12) [6]
應用上，除了大型AI/HPC系統內部的高速連接外，另一個重要應用是記憶體解耦（Disaggregated Memory）：透過光互連，處理器可與遠端記憶體池連接，突破現有電介面在延遲和距離上的限制，實現更彈性的系統組態。此外，在高頻寬要求的小晶片模組化（Chiplets）設計中，MicroLED光連結可取代或延伸如：UCIe、OpenHBI等介面，成為不同小晶片間溝通的骨幹。更有甚者，未來感測器匯流、5G無線回傳、航太通訊等領域，也皆被視為可從MicroLED光連結所具備的短距、高頻寬、低延遲連接技術中獲益。
三、MicroLED光連結競爭技術比較
為全面評估MicroLED平行光互連的價值，將MicroLED光連結與其他主要晶片互連技術進行比較，包括矽光子（Silicon Photonics）互連、VCSEL陣列光纖互連，以及高速電互連，如表1所示。
1.矽光子光互連：矽光子技術利用於矽上製作光波導(Waveguide)、調變器(Modulator)和感測器(PD)，搭配外部或共同封裝的分布式反射雷射(DFB)光源。優點是單通道速度極高，可輕易達到25~100 Gb/s，且可透過分波多工（WDM）在一條光纖中承載多波長提升總傳輸容量。然而其功耗除了用於調變之外，還包括雷射光源的功耗，整體約在5 pJ/bit以上。矽光子介面的頻寬密度相對有限，因為調變器和耦合結構佔據晶片邊緣長度較長，且目前CoWoS或PCB上不易佈局上百個高速光I/O。再者，矽光子元件性能易受溫度影響，在與大功率ASIC共同封裝時需要解決熱穩定之問題。總而言之，矽光子適合長距離、大容量通訊（如資料中心互連），其在晶片內短距離應用上仍面臨功耗和成本挑戰。
2.VCSEL陣列光纖互連：VCSEL（垂直共振腔面射型雷射）在850 nm等波段的多模光纖連接，為既有成熟度高的技術，廣泛應用於伺服器、儲存等短距離（幾十公尺以內）光纖通信之使用。VCSEL優點是製造成熟且單顆雷射調變速度可達25~50 Gb/s，元件體積小且閾值電流低，光電轉換效率佳，最新的VCSEL互連可優化至約1 pJ/bit功耗。與MicroLED相比，現行VCSEL在單通道速度上仍勝出，但受限於雷射陣列製造良率和散熱，通道數難已以大幅擴增（數十已是上限）。要實現數百Gb/s甚至Tb/s級別，大多依賴提高每個通道速率而非增加通道。封裝方面，VCSEL陣列需精確耦合進多模光纖陣列，對位精度要求和MicroLED類似，且VCSEL封裝已有成熟供應鏈支持。
3.高速電互連：近年高速SerDes技術已達112 Gb/s PAM4，每通道幾十公分距離內可用。然而，為支援更高總頻寬，往往需要疊加更多通道或提高符號率(Baud Rate)，導致功耗激增和信號調校複雜。例如，連接72顆GPU的NVIDIA NVLink系統已相當複雜且也已遭遇功耗和干擾瓶頸。電互連在封裝或電路板上的I/O密度亦有限，因為走線的間距和接腳尺寸己不易再縮小，且鄰近走線易產生相互串擾。在高頻下，導線和連接器損耗造成的ISIs（符號間干擾）需要用功率和電路補償。
經上述說明三個技術各有優缺，如表一所示，因此未來晶片系統中，電與光介面可能產生混合應用的情況：如：能用矽中介層佈線解決的距離（例如HBM與邏輯Die之間幾公厘）仍將採電互連，但跨封裝或板之間的距離（數十公分至數公尺）將逐步由光取代。MicroLED光互連正是瞄準後一領域，以其高密度低功耗特性在眾競爭技術中建立優勢。
表一 晶片通訊互連技術比較表
資料來源：工研院電光系統所 ITIS研究團隊整理(2026/03)
四、技術挑戰與突破路徑
儘管 MicroLED 平行光互連前景可期，但要落地仍須克服多項關鍵技術瓶頸,包括：1.頻寬極限、2.光耦合與對準、3.高階封裝說明如下：
1.頻寬極限：MicroLED 的調變頻寬受載子復合速率與 RC 時間常數限制。目前 GaN 微縮 LED 已實驗出約 10 GHz 的 3 dB 頻寬，可對應大約 10 Gb/s 的 NRZ 訊號；要進一步提升單通道速率，可透過縮小 LED 發光面積、增加驅動電流密度、以及優化電極結構等方式，但LED 尺寸縮減易導致側壁缺陷增加，進而降低發光效率。CEA-LETI 研究指出，適度減薄多量子井層、鈍化(Passivation)側避缺陷、並優化電流擴散，可一定程度緩解微縮 LED 的效率損失。目前主流做法是以「多通道並行」換取「單通道較低速率」，避免逼近物理極限；未來若材料、結構能夠有所突破，單通道速率可進一步提昇，整體系統通道數與複雜度也將下降。
2.光耦合與對準： MicroLED 發光呈廣角 Lambertian 分佈，要高效耦合進光纖，需要強化發光指向性。Avicena 將 MicroLED 陣列上方壓印微透鏡陣列，以匹配多芯光纖的數值孔徑(NA)，提高耦合效率；並採用成像光纖（Imaging Fiber）傳遞整張光強分佈，容許一定對準誤差。但若直接將數百至上千個光纖芯與 LED/PD 對接，仍須將對準誤差控制在幾微米、間隙小於 10 μm，對傳統封裝製程是一大挑戰。
3.高階封裝：現有 CoWoS、InFO 等高階封裝主要針對電互連而設計，要容納平行光通道，需額外在基板上增設光學結構，例如在有機載板或矽中介層上製作微型光波導通道。TSMC 正在開發共封裝光學（CPO）技術，嘗試將光收發模組與 ASIC 一同整合，目標提供超過 1.6 Tb/s 的光通道。未來封裝亦可能採混合結構：在有機載板埋入光波導、或採 SoIC 堆疊將光收發小晶片緊貼主晶片，並透過短連接導出光纖。由於 MicroLED 並行光鏈路可省略 SerDes，ASIC 需提供寬匯流排介面（如 UCIe）以連結光收發晶片。因此，封裝創新包含：對位結構、光學界面材料與製程，將是商用化的最後關鍵。
以上技術瓶頸，需在材料、元件、光學及封裝技術上進行層層的突破，才能讓 MicroLED 平行光互連真正於 AI/HPC 系統中發揮高頻寬、低功耗、低延遲之優勢。
五、結論與展望
(一) MicroLED的晶片光互連技術滿足10公尺以下高速連接的技術需求
基於MicroLED的晶片對晶片平行光互連逐漸展現出成為主流技術的巨大潛力，針對AI/HPC時代爆炸的資料傳輸需求，提供了嶄新且高效的道路：利用顯示技術演化而來的微米LED陣列，達成傳統電介面無法企及的頻寬密度與能耗表現，填補了1～10公尺距離範圍高速連接的技術需求空白。隨著Avicena等公司成功實現Tb/s級別原型，該技術的可行性已獲得驗證。台積電與多家國際大廠的投入，亦強化了產業對MicroLED光互連的信心和資源支持。展望未來2～3年，預期可以見到首批應用在高階HPC系統中的MicroLED光連接器件問世，例如用於大型GPU集群的機板光模組或光纖延伸連接。
(二) MicroLED的晶片光互連技術發展中長期展望
5年後的中長期發展上（2030年前後），若關鍵技術瓶頸（速率、封裝、良率等）能夠順利解決，MicroLED光互連有望從專用高階市場擴展到更廣泛的Chiplet生態系，例如成為UCIe介面的光學延伸標準，或者取代部分資料中心內部的電纜連接，逐步實現技術的商品化以及應用，以攻佔市場成為主流。
六、參考資料
[1] Le Maitre, Patrick, et al. "Short range optical communication with GaN?on?Si microLED and microPD matrices." Journal of the Society for Information Display 32.12 (2024): 797-814.
[2] Pezeshki, Bardia, et al. "304 channel MicroLED based CMOS transceiver IC with aggregate 1 Tbps and sub-pJ per bit capability." 2024 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC). IEEE, 2024.
[3] Zhang, Chongyun, et al. "Recent Advances of High-Speed Short-Reach Optical Interconnects for Data Centers." IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society (2025).
[4] https://avicena.tech/avicena-announces-modular-lightbundle-optical-interconnect-platform-with-1tbps-mm-i-o-density-and-1pj-bit/#:~:text=hyperscale%20datacenter%20partners%20we%20have,of%20Avicena%20%20X%20This
[5] https://www.hyperlume.com
[6] https://www.allaboutcircuits.com/news/from-new-can-protocols-to-led-arrays-led-innovations-shine-bright/