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作者：豐寧
1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出摩爾定律，預(yù)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(chǔ)的電子芯片發(fā)展了幾十年后，承載能力已經(jīng)逼近物理理論的極限。
光子芯片的出現(xiàn)，被看作突破摩爾定律的重要途徑之一。
近日，香港城市大學(xué)副教授王騁團隊與香港中文大學(xué)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(xué)進行超快模擬電子信號處理及運算。
相關(guān)研究成果在2月29日發(fā)表于《自然》。據(jù)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(jīng)不再陌生，關(guān)于光子芯片領(lǐng)域的新技術(shù)也頻頻涌現(xiàn)。比如2022年12月，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系鄒衛(wèi)文教授團隊就提出了光子學(xué)與計算科學(xué)交叉的創(chuàng)新思路，研制了實現(xiàn)高速張量卷積運算的新型光子張量處理芯片，相關(guān)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(shù)方面的實力，也為全球光子芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。
近10年來，光子技術(shù)已經(jīng)成為新一代信息技術(shù)、人工智能、智能汽車、醫(yī)藥健康等下一個應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的焦點，也被相關(guān)國家視為保持國際市場先進地位的關(guān)鍵技術(shù)之一。
光子技術(shù)為什么如此受重視？半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫帶領(lǐng)大家一探究竟！
光子技術(shù)為何備受青睞？
光子芯片簡單說就是利用光信號進行數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。光子芯片在當(dāng)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(xiàn)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(shù)百倍。
另外，光具有天然的并行處理能力以及成熟的波分復(fù)用技術(shù)，從而使光子芯片的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)計算過程花在“矩陣乘法”上的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計及制造才是技術(shù)門檻最高的核心部分。光的技術(shù)路線具有高速度、低能耗、抗串?dāng)_等優(yōu)勢，可以替代電做的很多事情。
中科鑫通微電子技術(shù)（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(jīng)相對成熟的原材料和設(shè)備就能生產(chǎn)?！?/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(dāng)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(dāng)半導(dǎo)體制程達到3納米后，已經(jīng)非常接近物理極限，所以要復(fù)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(xiàn)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(nèi)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(dāng)前內(nèi)存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪存瓶頸導(dǎo)致高性能處理器難以發(fā)揮出應(yīng)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(jù)SEMI國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會的芯片主流設(shè)計成本模型圖，采用FinFET工藝的5納米芯片設(shè)計成本已是28納米工藝設(shè)計成本的近8倍，更復(fù)雜的GAA結(jié)構(gòu)的設(shè)計成本只會更高，這僅是芯片設(shè)計、制造、封裝、測試中的設(shè)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(chǎn)設(shè)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(yù)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(jīng)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(lǐng)域，電子芯片仍占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是存儲領(lǐng)域，仍是電存儲芯片的天下，光存儲還未實現(xiàn)量產(chǎn)突破。在傳輸相關(guān)領(lǐng)域，如光通訊上，光子芯片已經(jīng)被大量使用，占主要地位。在邏輯運算領(lǐng)域，未來的趨勢是光電集成的結(jié)合，還需要很長一段時間逐步替代，才能實現(xiàn)全光計算。
從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，光子對電子并不是替代關(guān)系，準確地講光子產(chǎn)業(yè)是對電子產(chǎn)業(yè)的升級，能夠催生新的產(chǎn)業(yè)。
光子芯片是人工智能的基石
過去電子芯片主要應(yīng)用于計算和存儲領(lǐng)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(lǐng)域催生眾多新的應(yīng)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(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域形成新的應(yīng)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(yīng)用場景，產(chǎn)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(yīng)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(shù)據(jù)中心等新的應(yīng)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(yīng)用場景。
此外，光子芯片在生命健康、超導(dǎo)材料以及國防裝備等方面，將形成神經(jīng)光子學(xué)、免疫分析、高超音速武器等新的重大應(yīng)用場景。
如果說信息時代的基礎(chǔ)設(shè)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(shù)和產(chǎn)業(yè)。
當(dāng)前光子芯片發(fā)展正處于類似于當(dāng)年大規(guī)模集成電路發(fā)展初期的關(guān)鍵節(jié)點，即將迎來產(chǎn)業(yè)的一次大爆發(fā)。
從市場格局來看，美國是硅光子領(lǐng)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(chǎn)業(yè)振興會”，以引導(dǎo)資本和各方力量進入光電子領(lǐng)域。2014年，美國又建立了“國家光子計劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計劃開發(fā)。
歐洲和日本也在跟進，歐盟將光子技術(shù)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(shù)的研發(fā)和支持，以保持其行業(yè)領(lǐng)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(chǎn)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(guān)注工業(yè)/國防等高功率應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(fù)用程度較高，中國本土企業(yè)可以基于自身技術(shù)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(chǎn)業(yè)化起步較早，技術(shù)上具備領(lǐng)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(shù)不斷突破，相關(guān)產(chǎn)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，F(xiàn)irst-sensor、濱松、Kyosemi、安森美、濱松、博通等公司把握關(guān)鍵的技術(shù)方案。中國本土企業(yè)在光探測芯片領(lǐng)域的市占率較低，主要原因在于沒有完整的生產(chǎn)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(shù)優(yōu)勢主導(dǎo)VCSEL芯片市場，據(jù)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(yīng)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(shù)是創(chuàng)業(yè)型公司，VCSEL芯片量產(chǎn)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(shù)和產(chǎn)品發(fā)展腳步。
在硅光芯片方面，全球硅光技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)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(shù)，Marvell、思科、諾基亞等斥資百億美元先后收購 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光領(lǐng)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(shù)，已經(jīng)形成較為完整的硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈。
在高速通信、量子計算領(lǐng)域大放光彩
高速通信是光子芯片領(lǐng)域的重要應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)高速的光信號傳輸，為現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展提供了強有力的支持。
在中國的高速通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，光子芯片被廣泛應(yīng)用于光纖傳輸系統(tǒng)、光子交換機、光放大器等關(guān)鍵設(shè)備中，使得通信網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)了1 Tb/s的高速光通信傳輸，在海底光纖通信網(wǎng)絡(luò)中也取得了重大突破。這些成果不僅推動了中國通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也在全球范圍內(nèi)引起了極大的關(guān)注。
光子芯片在量子計算領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。量子計算作為一種新型的計算模式，利用量子力學(xué)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(xiàn)量子計算的關(guān)鍵技術(shù)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(xiàn)提供了新的可能。
中國科學(xué)家在單光子處理、量子糾纏等關(guān)鍵領(lǐng)域取得了重要進展，為光量子計算的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，中國已經(jīng)建成了世界上第一臺光量子計算機，并在相關(guān)的理論與算法研究上取得了國際領(lǐng)先地位。這些成果不僅對于我國科技實力的提升至關(guān)重要，也對于全球量子計算技術(shù)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(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出了強大的潛力和實力。
由中國科學(xué)院西安分院、陜西省科學(xué)院和西安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)管理委員會指導(dǎo)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(dǎo)院聯(lián)合編寫的《光子時代：光子產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)集群，在特定關(guān)鍵核心技術(shù)等方面擁有較強的領(lǐng)先優(yōu)勢。與此同時，200余家光子技術(shù)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(nèi)光子領(lǐng)先企業(yè)。預(yù)計到2023年，西安將實現(xiàn)千億級產(chǎn)業(yè)規(guī)模目標(biāo)。
武漢是全國較早進行光電子產(chǎn)業(yè)基地規(guī)劃和布局的城市，是我國光子產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)跑先鋒和產(chǎn)業(yè)高地。武漢以“中國光谷”建設(shè)為引領(lǐng)，加快光子產(chǎn)業(yè)布局，光子產(chǎn)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(chǎn)業(yè)基地，銷量全球第一，光器件研發(fā)生產(chǎn)全國第一，通信系統(tǒng)設(shè)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(shù)為基礎(chǔ)、未來產(chǎn)業(yè)與經(jīng)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(nèi)最為完整的光通信產(chǎn)業(yè)鏈和最具影響力的產(chǎn)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(chǎn)業(yè)定為全市“1號產(chǎn)業(yè)工程”，出臺“高光20條”，加速搶占光子產(chǎn)業(yè)“制高點”，擁有一批光子領(lǐng)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(lǐng)域國家級高企數(shù)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的地區(qū)之一，被稱為中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才的“黃埔軍校”?！栋灼凤@示，2022年，無錫半導(dǎo)體產(chǎn)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(chǎn)業(yè)不可或缺的重要產(chǎn)品后，無錫緊抓新機遇，加快布局光子產(chǎn)業(yè)，出臺“新光18條”，圍繞硅光產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，打造光子芯片中試線，并在產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)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(gòu)，以及一批優(yōu)秀的科技企業(yè)，為光子芯片的研發(fā)和產(chǎn)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(jīng)濟中心，也在光子芯片領(lǐng)域進行了大量的投入和研發(fā)，并已經(jīng)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)的全球發(fā)展。
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