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    • 光子技術為何備受青睞?
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    • 光子芯片是人工智能的基石
    • 布局光子芯片,各國均在路上
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更快更強,光子芯片迎來產業(yè)爆發(fā)!

03/13 09:50
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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

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。

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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