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作者：豐寧
1965年，英特爾聯合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出摩爾定律，預測每隔18個月到24個月，芯片的晶體管密度就會增加一倍。然而，以硅為基礎的電子芯片發(fā)展了幾十年后，承載能力已經逼近物理理論的極限。
光子芯片的出現，被看作突破摩爾定律的重要途徑之一。
近日，香港城市大學副教授王騁團隊與香港中文大學研究人員合作，利用鈮酸鋰為平臺，開發(fā)出處理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可運用光學進行超快模擬電子信號處理及運算。
相關研究成果在2月29日發(fā)表于《自然》。據悉，集成鈮酸鋰微波光子芯片不僅速度比傳統(tǒng)電子處理器快1000倍，且具有超寬處理帶寬和極高的計算精確度，能耗也更低。
如今光子芯片這一概念已經不再陌生，關于光子芯片領域的新技術也頻頻涌現。比如2022年12月，上海交通大學電子信息與電氣工程學院電子工程系鄒衛(wèi)文教授團隊就提出了光子學與計算科學交叉的創(chuàng)新思路，研制了實現高速張量卷積運算的新型光子張量處理芯片，相關成果以“基于集成光子芯片的高階張量流式處理”為題發(fā)表在《自然》期刊上。
此外，中國科研人員在光子集成電路、光子晶體管、光計算等方面也取得了重要突破。這些成果不僅展示了中國在光子芯片技術方面的實力，也為全球光子芯片產業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。
近10年來，光子技術已經成為新一代信息技術、人工智能、智能汽車、醫(yī)藥健康等下一個應用領域關注的焦點，也被相關國家視為保持國際市場先進地位的關鍵技術之一。
光子技術為什么如此受重視？半導體產業(yè)縱橫帶領大家一探究竟！
光子技術為何備受青睞？
光子芯片簡單說就是利用光信號進行數據獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。光子芯片在當下時代備受追捧主要得益于其兩方面的優(yōu)勢：其一為性能優(yōu)勢；其二則是制造優(yōu)勢。
優(yōu)勢一：高計算速度、低功耗、低時延
相比傳統(tǒng)的電子芯片，光子芯片有很多優(yōu)勢，主要表現為高速率和低功耗。光信號以光速傳輸，速度得到巨大提升；理想狀態(tài)下，光子芯片的計算速度比電子芯片快約1000倍。光子計算消耗能量少，光計算功耗有望低至每比特10—18焦耳（10—18J/bit），相同功耗下，光子器件比電子器件快數百倍。
另外，光具有天然的并行處理能力以及成熟的波分復用技術，從而使光子芯片的數據處理能力、容量及帶寬均大幅度提升；光波的頻率、波長、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同的數據，且光路在交叉?zhèn)鬏敃r互不干擾。這些特性使得光子擅長做并行運算，與多數計算過程花在“矩陣乘法”上的人工神經網絡相契合。
總體而言，光子芯片具有高計算速度、低功耗、低時延等特點，且不易受到溫度、電磁場和噪聲變化的影響。
優(yōu)勢二：制程要求不高
與集成電路芯片不同，光芯片對制程要求相對不高，外延設計及制造才是技術門檻最高的核心部分。光的技術路線具有高速度、低能耗、抗串擾等優(yōu)勢，可以替代電做的很多事情。
中科鑫通微電子技術（北京）有限公司總裁隋軍曾表示“光子芯片不會像電子芯片那樣必須使用極紫外光刻機（EUV）等極高端的光刻機，使用我國已經相對成熟的原材料和設備就能生產?！?/p>
替代電子芯片？
說到光子芯片是否會替代電子芯片，我們首先要了解的便是電子芯片當下正在面臨的瓶頸。
電子芯片正在面臨的第一個困擾便是摩爾定律的限制。在過去近50年里，晶體管的密度可以每18-20個月翻一倍，但從物理的角度來講，一個原子的大小就有接近0.3個納米，當半導體制程達到3納米后，已經非常接近物理極限，所以要復刻過去的每18-20個月翻一倍幾乎沒有可能。
第二個困擾是功耗與發(fā)熱的問題。2015年以后，隨著晶體管越來越小，晶體管上的隧穿現象越來越嚴重，所以即使能把晶體管做得更小，單個晶體管在進行運算時的功耗也沒辦法進一步降低，片上的熱無法更有效散發(fā)出去，限制了算力的提高。
第三個是存力與算力的不足。過去幾十年中處理器的性能以每年約55%的速度提升，而內存性能的提升速度約為每年10%，長期累積下來，不平衡的發(fā)展速度造成了當前內存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪存瓶頸導致高性能處理器難以發(fā)揮出應有的功效。簡單來講，就是大量信息存儲不過來、計算不過來。
第四點則是性價比。業(yè)界普遍認為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。根據SEMI國際半導體產業(yè)協(xié)會的芯片主流設計成本模型圖，采用FinFET工藝的5納米芯片設計成本已是28納米工藝設計成本的近8倍，更復雜的GAA結構的設計成本只會更高，這僅是芯片設計、制造、封裝、測試中的設計環(huán)節(jié)。制造環(huán)節(jié)的晶圓代工廠的研發(fā)、建廠、購買生產設備耗費的資金會更多，比如三星在美國得克薩斯州計劃新建的5納米晶圓廠預計投資高達170億美元。
以上種種信息都在表明，在某些情況下，電子芯片已經不再適用，注意這里所說的是“某些情況下”。因為目前在芯片領域，電子芯片仍占據主導地位，特別是存儲領域，仍是電存儲芯片的天下，光存儲還未實現量產突破。在傳輸相關領域，如光通訊上，光子芯片已經被大量使用，占主要地位。在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電集成的結合，還需要很長一段時間逐步替代，才能實現全光計算。
從產業(yè)發(fā)展角度來看，光子對電子并不是替代關系，準確地講光子產業(yè)是對電子產業(yè)的升級，能夠催生新的產業(yè)。
光子芯片是人工智能的基石
過去電子芯片主要應用于計算和存儲領域，而光子芯片可以在信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲及信息顯示等領域催生眾多新的應用場景。
在信息獲取方面，激光雷達、光傳感將在人工智能、自動駕駛、物聯網等領域形成新的應用場景。
在信息傳輸方面，形成了5G、光通信、量子通信等為代表的應用場景，產業(yè)規(guī)模巨大。
在信息處理方面，形成了光子計算、量子計算等應用場景，未來將大幅度提升計算機性能。
在信息存儲方面，5D激光存儲、光收發(fā)模塊等將形成云計算與大數據中心等新的應用場景。
在信息顯示方面，將形成VR、AR及microLED等新的信息顯示應用場景。
此外，光子芯片在生命健康、超導材料以及國防裝備等方面，將形成神經光子學、免疫分析、高超音速武器等新的重大應用場景。
如果說信息時代的基礎設施是電子芯片，那么人工智能時代將更多地依托光子芯片。
布局光子芯片，各國均在路上
早在20世紀80年代，美日歐等發(fā)達國家就開始投入布局光子技術和產業(yè)。
當前光子芯片發(fā)展正處于類似于當年大規(guī)模集成電路發(fā)展初期的關鍵節(jié)點，即將迎來產業(yè)的一次大爆發(fā)。
從市場格局來看，美國是硅光子領域起步最早也是發(fā)展最好的國家，1991年美國便成立了“美國光電子產業(yè)振興會”，以引導資本和各方力量進入光電子領域。2014年，美國又建立了“國家光子計劃”產業(yè)聯盟，明確將支持發(fā)展光學與光子基礎研究與早期應用研究計劃開發(fā)。
歐洲和日本也在跟進，歐盟將光子技術納入“地平線2020”、“（ECSEL JU）年度戰(zhàn)略計劃”等國家戰(zhàn)略；日韓則加大對光子技術的研發(fā)和支持，以保持其行業(yè)領先的地位。
中國大概在2010年以后開始入局光芯片賽道。目前，中國本土的高功率激光芯片、部分高速率激光芯片（10G、25G等）等已處于國產化加速突破階段，而光探測芯片、25G以上高速率激光芯片剛剛起步，本土化還有較長的路要走。
廠商方面，中國本土光芯片企業(yè)主要關注工業(yè)/國防等高功率應用，這也是它們主要的營收來源，因此，在高功率激光芯片方面，本土企業(yè)具備與II-VI、Lumentum等國際大廠進行競爭的能力。但在光通信、消費類應用領域，與國際大廠差距較大，是下一步努力的重點。光通信市場空間廣闊，同時，光通信、VCSEL等光芯片制造工藝與高功率激光芯片工藝復用程度較高，中國本土企業(yè)可以基于自身技術積累切入。
在高功率激光芯片方面，美國和歐洲在高功率激光芯片方面的產業(yè)化起步較早，技術上具備領先優(yōu)勢，傳統(tǒng)巨頭包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。不過隨著中國本土激光芯片技術不斷突破，相關產業(yè)處于快速發(fā)展期，主要廠商包括長光華芯、武漢銳晶、華光光電、度亙激光、深圳瑞波等。
在光探測芯片方面，First-sensor、濱松、Kyosemi、安森美、濱松、博通等公司把握關鍵的技術方案。中國本土企業(yè)在光探測芯片領域的市占率較低，主要原因在于沒有完整的生產加工體系。主要公司有光迅科技、光森電子、三安光電、靈明光子、阜時科技等。
在VCSEL方面，國際大廠Lumentum、II-IV憑借技術優(yōu)勢主導VCSEL芯片市場，據Yole統(tǒng)計，Lumentum、II-IV兩家公司在2021年的市場合計份額超過80%。中國本土傳感應用類VCSEL芯片企業(yè)主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、檸檬光子、博升光電、瑞識科技等，大多數是創(chuàng)業(yè)型公司，VCSEL芯片量產能力有限，與國際大廠之間還有明顯差距。不過，憑借后發(fā)優(yōu)勢，這些中國本土企業(yè)正在努力趕上國際先進技術和產品發(fā)展腳步。
在硅光芯片方面，全球硅光技術及產業(yè)化領先的玩家主要包括英特爾、思科和Inphi，近些年，思科、華為、Ciena、Juniper等知名企業(yè)紛紛通過收購來布局硅光技術，Marvell、思科、諾基亞等斥資百億美元先后收購 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光領域的創(chuàng)新企業(yè)。英特爾和臺積電都在大力開發(fā)硅光子制造工藝技術，已經形成較為完整的硅光芯片產業(yè)鏈。
在高速通信、量子計算領域大放光彩
高速通信是光子芯片領域的重要應用之一。與傳統(tǒng)的電信號相比，光信號傳輸具有更高的速度、更大的容量和更低的能耗。光子芯片利用光的傳輸特性，能夠實現高速的光信號傳輸，為現代通信技術的發(fā)展提供了強有力的支持。
在中國的高速通信網絡建設中，光子芯片被廣泛應用于光纖傳輸系統(tǒng)、光子交換機、光放大器等關鍵設備中，使得通信網絡的傳輸速度和帶寬得到了顯著提升。例如，中國在全球首次實現了1 Tb/s的高速光通信傳輸，在海底光纖通信網絡中也取得了重大突破。這些成果不僅推動了中國通信產業(yè)的快速發(fā)展，也在全球范圍內引起了極大的關注。
光子芯片在量子計算領域也展現出巨大的應用潛力。量子計算作為一種新型的計算模式，利用量子力學的特性進行計算，有著比傳統(tǒng)計算機更高的計算效率和更強的計算能力。而光子芯片正是實現量子計算的關鍵技術之一。中國在光子芯片的研究中取得的重要突破，為量子計算的實現提供了新的可能。
中國科學家在單光子處理、量子糾纏等關鍵領域取得了重要進展，為光量子計算的實際應用奠定了基礎。目前，中國已經建成了世界上第一臺光量子計算機，并在相關的理論與算法研究上取得了國際領先地位。這些成果不僅對于我國科技實力的提升至關重要，也對于全球量子計算技術的發(fā)展具有重要的推動作用。
哪里將成為中國的“光子之城”？
中國的一些城市在光子芯片領域已經展現出了強大的潛力和實力。
由中國科學院西安分院、陜西省科學院和西安高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)管理委員會指導和支持，陜西光子創(chuàng)新中心、西科控股、中科創(chuàng)星、硬科技智庫（西安市中科硬科技創(chuàng)新研究院）和光電子先導院聯合編寫的《光子時代：光子產業(yè)發(fā)展白皮書》中詳細展示了武漢、西安、蘇州、無錫四座城市在光子產業(yè)方面的體系化布局及優(yōu)勢分析。
《白皮書》顯示，西安為國家布局的四個“雙中心”城市之一和西北地區(qū)唯一的國家中心城市，目前其光子產業(yè)集群已初具規(guī)模，初步形成了光子制造、光子信息、光子傳感等產業(yè)集群，在特定關鍵核心技術等方面擁有較強的領先優(yōu)勢。與此同時，200余家光子技術企業(yè)集聚西安，培育孵化了炬光科技、萊特光電、中科微精、奇芯光電等一批國內光子領先企業(yè)。預計到2023年，西安將實現千億級產業(yè)規(guī)模目標。
武漢是全國較早進行光電子產業(yè)基地規(guī)劃和布局的城市，是我國光子產業(yè)的領跑先鋒和產業(yè)高地。武漢以“中國光谷”建設為引領，加快光子產業(yè)布局，光子產業(yè)主體總量突破19.1萬戶，建成了全球最大的光纖光纜產業(yè)基地，銷量全球第一，光器件研發(fā)生產全國第一，通信系統(tǒng)設備研發(fā)位居全球第一方陣，未來將打造以光電子信息技術為基礎、未來產業(yè)與經濟社會深度融合的“世界光谷”。
蘇州被稱為“中國光電纜之都”，形成了國內最為完整的光通信產業(yè)鏈和最具影響力的產業(yè)集群，在全國乃至國際上樹起了蘇州光通信的整體區(qū)域品牌。蘇州將光子產業(yè)定為全市“1號產業(yè)工程”，出臺“高光20條”，加速搶占光子產業(yè)“制高點”，擁有一批光子領域高企（高成長企業(yè)）、瞪羚（指創(chuàng)業(yè)后跨過死亡谷，以科技創(chuàng)新或商業(yè)模式創(chuàng)新為支撐進入高成長期的中小企業(yè)）、獨角獸培育企業(yè)，其中，光子領域國家級高企數量達142家，形成了完善的企業(yè)梯次發(fā)展方陣。
無錫是我國較早布局半導體產業(yè)的地區(qū)之一，被稱為中國集成電路產業(yè)人才的“黃埔軍?！??！栋灼凤@示，2022年，無錫半導體產業(yè)規(guī)模居全國第二，其中封裝測試和配套支撐位居全國第一，在光子芯片逐漸成為未來產業(yè)不可或缺的重要產品后，無錫緊抓新機遇，加快布局光子產業(yè)，出臺“新光18條”，圍繞硅光產業(yè)領域，打造光子芯片中試線，并在產業(yè)鏈上中下游積累了一批重大平臺和龍頭企業(yè)，同時積極向光傳感、光計算、光通信等其他應用領域延伸。
除了上述幾家城市，北京作為中國首都和科技創(chuàng)新中心，擁有眾多高校和研究機構，以及一批優(yōu)秀的科技企業(yè)，為光子芯片的研發(fā)和產業(yè)化提供了良好的環(huán)境和資源。上海作為中國最大的城市之一和經濟中心，也在光子芯片領域進行了大量的投入和研發(fā)，并已經取得了一定的成果。
然而，要成為真正的“光子芯片之城”，這些城市還需要在技術研發(fā)、人才培養(yǎng)、政策支持等方面做出更多的努力。同時，也需要考慮光子芯片產業(yè)的全球競爭態(tài)勢，積極參與國際合作，推動光子芯片產業(yè)的全球發(fā)展。
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