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集成電路發(fā)展至今，電子一直承擔著在集成芯片中傳輸信息的功能。隨著集成電路密度越來越接近物理極限，芯片越來越難以單純靠升級制程實現性能提升。將芯片內傳輸信息的介質由電子轉換為更高帶寬、更低功耗的光子被認為是后摩爾時代實現芯片性能升級的最新渠道。
全光芯片尚遠 光電融合是必經之路
“光子芯片”是指由光路感知、傳輸和處理信息的芯片。目前，純光子器件已能作為獨立的功能模塊使用，但是，由于光子本身難以靈活控制光路開關，也不能作為類似微電子器件的存儲單元，純光子器件自身難以實現完整的信息處理功能，依然需借助電子器件實現。因此，完美意義上的純“光子芯片”仍處于概念階段，尚未形成可實用的系統(tǒng)。嚴格意義上講，當前的“光子芯片”應該是指集成了光子器件或光子功能單元的光電融合芯片。
華中科技大學光學與電子信息學院微電子工程系研究員譚旻告訴《中國電子報》記者，目前，全球在光子芯片方面的研究工作主要集中在光子器件的制備、器件之間的連接兩個方面，正處于從光子器件物理制備到光和電融合回路設計的關鍵轉折性階段。他認為，如果要進行大規(guī)模實用化，光和電的回路級融合是必經之路：“全光芯片在短期內無法實現，光電融合芯片很有可能是光子芯片的終極形式。”
通信業(yè)率先應用 嘗試多場景拓展
光電子芯片當前主要用于通信領域。在使用光纖的遠程通信中，光電子芯片在光纖兩端起到發(fā)射和接收的作用，與日常生活比較接近的，便是在光貓中的應用。光貓中的光電子芯片可用于光電信息轉換。在短距離通信中，光電子芯片主要應用在數據中心不同服務器之間的相互連接和高性能計算中。由于光通信具有速度快、損耗低的優(yōu)點，超級計算機、數據中心的服務器之間使用光纖做數據傳輸，服務器的板卡也使用光纖進行連接。這就意味著，在此類服務器中，存在光電子芯片進行光電信號轉換。此外，部分集成電路中使用光層傳輸時鐘信號，以同步集成電路中不同區(qū)塊工作。
在光傳感、激光雷達、生物傳感、光計算、光量子、光電人工智能、光電神經網絡等領域，國內外都有很多機構在做前沿研究，但仍處于實驗室階段。一旦實現技術突破，形成現實應用可能，將有可能成為填補電子芯片空白的顛覆性技術。
目前，英特爾已經能做到在CMOS芯片緊密集成的單一技術平臺上，將多波長激光器、半導體光學放大器、全硅光電檢測器以及微型環(huán)調制器集成到一起，目前已經實現集成光子器件模塊芯片的量產應用。英特爾研究院副總裁、中國研究院院長宋繼強向《中國電子報》記者表示，在電子芯片存在功能限制性的領域，光子芯片存在很大的替代優(yōu)勢。當處理器計算能力提升時，需要更多跨處理器甚至是跨服務器節(jié)點之間的數據交互。當數據交互體量提升，I/O交互將會成為瓶頸——尺寸上無法繼續(xù)縮減，而功耗也無法降低。I/O計算將消耗大量的電能，但計算能力會大大降低。由此，英特爾把光看作替代銅的優(yōu)秀互連介質，正在努力通過光器件與電器件緊密封裝、制作收發(fā)器等方式，解決光電轉化效率低、光器件體積大等問題，以期實現由光路替代金屬電路。
提高硬件水平 保障光電融合開發(fā)
研發(fā)光電子芯片對于我國科研團隊來說，是一塊難啃的硬骨頭。一是因為我國該領域技術人才缺乏，二是因為光電回路級融合處于國際前沿領域，缺乏可借鑒經驗。用譚旻的話來說，我國在光電子芯片研發(fā)領域面臨“深度硬交叉，前沿無人區(qū)”局面。
要生產光電融合芯片，需要既能制備光子器件又能制備電子器件的復合型人才，還需要實現光電器件的整合。
從我國當前的學科設置來看，光學與電子學是兩個分立的學科，研究內容、研究方法都有很大的區(qū)別。而作為光電融合領域的研發(fā)人員，顯然對光、電任何一個領域都不能僅是淺嘗輒止，這樣便對人才提出了更高的要求。
此外，光電融合回路在整個國際范圍內都屬于前沿領域，僅有個別研究機構從事該領域研究，缺少可供借鑒的成熟經驗?；谏鲜鲈?，當前國內光電融合技術從設計軟件到芯片制備都沒有形成成熟的解決方案。
“芯片制備過程中可以使用的材料、器件都是無法采購的，都只能自己做，建模軟件都是我們自己做的。”2016年，譚旻回國后便在華中科技大學光電學院從事光電融合回路方面的研究。“前沿無人區(qū)”給研究團隊帶來了超越國際的機會，同時也要求團隊具備自主制備器件、自主編寫建模軟件等能力，譚旻及團隊基本是“白手起家”進行建設。
“從設計的角度，我們國家工程師的質量是非常好的，人數也非常多。光子集成電路發(fā)展的難點在于設備和工藝條件的局限性。”浙江大學微電子集成系統(tǒng)研究所所長儲濤向《中國電子報》表示。我國硅光子集成芯片與國外起步時間接近，與國外的技術差距小，甚至在很多細分領域超過國外的發(fā)展水平。但在從設計向制造發(fā)展的過程中，便會遭受由于國內硬件設備缺乏而帶來的“卡脖子”問題。在談及光子芯片產業(yè)化問題時，儲濤表現出了無奈：“國內大學能寫很多論文，能做設計，但大學很難將其迭代研發(fā)成熟再形成產品，因為缺乏硬件條件。”
來自華中科技大學的譚旻同樣提到了國內硬件基礎差給團隊研發(fā)帶來的困難。制作新芯片需要新的制作工藝，而國內公司難以提供新工藝所需的硬件設備。由此，要拿到所設計芯片的實體樣品，科研團隊便需要將產品送到國外代工。“國內目前不具備光電全集成芯片的能力。國內廠商目前可以做獨立的電子芯片，也可以做獨立的光子芯片，但無法做光電融合芯片。”譚旻表示。據了解，當前，國內仍缺乏能夠生產光電全集成芯片的廠商，海外能夠實現的機構包括德國創(chuàng)新高性能微電子所（IHP）、格羅方德半導體股份有限公司（Global Foundries）等。
由于國外公司根據新芯片調整制程需要耗費時間，再加上境外交涉帶來的不便，從設計文件交出到拿到制作完成的芯片成品，甚至需要花費一年半的時間，這大大影響了光子芯片的研發(fā)進度。
產業(yè)化須全局統(tǒng)籌 機制保障最重要
在我國硬件工藝存在卡口、專業(yè)人才緊缺的情況下，若想要趕上國際先進水平，實現光子芯片產業(yè)化生產，建立起一整套資源統(tǒng)籌機制是不可或缺的。
要解決國內工藝設備問題，或者可以先從已有工藝平臺入手，提高工藝平臺開放度、為研究機構解決基本模型制作問題。若要提升科技成果轉化效率，或許可以仿照日本國家產業(yè)技術綜合研究所、中國臺灣“中研院”的運作模式，建立基礎研究向產品轉化的中繼機構，輔助企業(yè)完成產品初級孵化。
儲濤認為，如果光要代替電承擔更多的功能，需要科研人員發(fā)揮更大的想象力，以光子芯片實現功能的方式可能將超過現有的慣性思維方式。現如今I/O邏輯計算已經成為計算的基本思維模式，而在未來，包括光子技術在內的信息處理系統(tǒng)，若是想成為顛覆性技術，可能需要年輕人跳出I/O架構的數字邏輯，建構起新的模擬信息處理邏輯。這樣一來，或許光便能夠擺脫依靠電子做計算的桎梏，從而取得更好的發(fā)展。
但就光子芯片對電子芯片的替代能力來看，儲濤并不認為存在一種技術能夠完全取代CMOS 技術。不論是光子集成技術，還是后摩爾時代其他具有顛覆性可能的技術，都不能起到整體顛覆的作用。“與電子芯片相比，光子芯片的確能夠實現原先芯片無法實現的功能，但與電子芯片相比，光子芯片的應用還相對較窄。”
譚旻認為，要成為顛覆性技術具備兩個條件：第一，顛覆性技術應該與既有的技術之間存在技術范式不同；第二，該技術能夠滿足剛性的需求。
