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業(yè)界對光子芯片寄予厚望，其在數據中心中扮演著舉足輕重的角色，尤其在高帶寬和高能效的數據傳輸方面。目前，隨著人工智能、云計算和物聯(lián)網設備的普及，對于高效數據處理的需求也與日俱增，光子芯片的研發(fā)落地也愈發(fā)緊迫。
9月25日，我國在光子芯片上迎來關鍵性突破，上海交通大學無錫光子芯片研究院建設的國內首條光子芯片中試線，宣布正式啟用。另外今年早些時候，清華團隊發(fā)布AI光芯片“太極-Ⅱ”和“太極-I”，濟南在全球率先研制成功12英寸鈮酸鋰晶體，我國中科院開發(fā)出可批量制造的新型“光學硅”芯片等等，都預示著光子芯片正式步入產業(yè)化快車道，將突破計算范式限制，為大規(guī)模智算帶來新的想象空間，一個屬于光子的輝煌時代即將開啟。
光子芯片為何備受青睞？
當下以大模型為代表的生成式人工智能席卷全球，算力競爭進一步加劇。行業(yè)測算數據顯示，AI訓練所需算力每三個半月翻一倍，而摩爾定律下的晶體管數量每18個月才翻一倍，算力供需“剪刀差”持續(xù)拉大，量子計算成為共識解決方案。
目前量子計算主要有超導、離子阱及光量子三條技術路線，行業(yè)多方持續(xù)看好光量子路徑。行業(yè)人士表示，主要是因為實現(xiàn)通用量子計算機有三個前提——百萬量子比特的操縱能力、低環(huán)境要求、高集成度，光量子是目前能滿足這三個條件的最佳路徑。光量子芯片又分為光子芯片和量子芯片，其中量子芯片值得一提的就是今年1月發(fā)布的中國第三代自主超導量子芯片——“悟空芯”(夸父 KF C72-300)。
光子芯片也被稱作“光電子芯片”或“光子集成電路（PIC）”，是指利用光子作為信息傳輸和處理載體的新型集成芯片，以光為信息載體，具有大帶寬、高并行、低功耗的天然優(yōu)勢，被認為是未來大容量數據傳輸、人工智能加速計算的一大利器。
我們目前傳統(tǒng)使用的電子芯片性能主要取決于芯片集成的晶體管數量，芯片集成的晶體管數量越多，芯片計算能力就越強。但眾所周知，隨著計算速率和集成度的不斷提高，摩爾定律持續(xù)放緩，芯片計算面臨串擾、功耗、時延等等一系列固有瓶頸性問題。據日月光半導體相關負責人表示，公司在基板上承載的帶寬方面已經達到了極限。如果不能滿足這些需求，光子學是唯一的選擇。
光子芯片的核心技術是采用光子替代電子完成對計算任務的加速處理，其計算速度比電子芯片快約1000倍，功耗更低，有望低至aJ/MAC量級，從性能上突破摩爾定律的限制。行業(yè)消息顯示，光子芯片是新一代信息技術的核心，能滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯(lián)網、云計算、生物醫(yī)藥等領域對傳輸、計算、存儲、顯示的技術需求，已成為經濟增長新動能，全球競速的產業(yè)高地。
一直以來，國內光子芯片行業(yè)面臨中試平臺缺位、工藝技術壁壘高、良品率驗證低、產能轉化不足、國外平臺流片周期長等共性困境，嚴重制約了創(chuàng)新成果轉化落地的“黃金期”。近年來，國內外多個平臺、企業(yè)在光子芯片領域不斷突破，助力我國光子芯片實現(xiàn)新突破。。
國內首條光子芯片中試線在無錫啟用
無錫日報消息顯示，該光子芯片中試平臺總面積17000平方米，集科研、生產、服務于一體，配套設施完善且配備超100臺國際頂級CMOS工藝設備，覆蓋了薄膜鈮酸鋰光子芯片從光刻、薄膜沉積、刻蝕、濕法、切割、量測到封裝的全閉環(huán)工藝。平臺還兼顧硅、氮化硅等其他材料體系，搭建N個特色工藝平臺，形成領先的“1+N”先進光子器件創(chuàng)新平臺，不僅可為高校、科研院所、創(chuàng)新企業(yè)提供全流程技術服務，還可以為光子產業(yè)孵化項目，與產業(yè)基金高效聯(lián)動，打通從產品研發(fā)到市場化的完整鏈條，加速科技成果的商業(yè)化轉化。
上海交通大學無錫光子芯片研究院院長金賢敏表示，中試平臺不僅能加速技術迭代的飛輪效應，促進工藝流程的持續(xù)優(yōu)化和產品創(chuàng)新能力的提升，還將以前所未有的速度觸摸到科技前沿的“天區(qū)”，破解創(chuàng)新鏈和產業(yè)鏈長期存在的結構性矛盾，最終實現(xiàn)科技出“圈”，產業(yè)破“壁”。中試線正式啟用后，預計年產能達10000片晶圓，2025年第一季度將正式發(fā)布PDK，提供對外流片服務。
值得注意的是，上海交通大學無錫光子芯片研究院院長金賢敏同時也是上海圖靈量子創(chuàng)始人。圖靈量子公司成立于2021年2月，是我國第一家光量子芯片和光量子計算機公司。成立僅三年余，圖靈量子就在去年1月打造國內首個量子智算中心；今年4月正式入駐國家超算互聯(lián)網平臺……在這一輪以量子計算與量子通信為代表的“第二次量子革命”浪潮中，業(yè)界對屢獲突破的圖靈量子寄予厚望。
濟南率先研制成功12英寸鈮酸鋰晶體
據濟南日報今年5月消息，濟南在全球率先研制出了12英寸(直徑300mm)的超大尺寸光學級鈮酸鋰晶體。
完成這項科研攻關的是山東恒元半導體科技有限公司，該公司成立于2021年，自成立以來，一直致力于鈮酸鋰、鉭酸鋰等光電材料、壓電材料的研發(fā)等。通過20年不間斷的探索與研究，公司團隊已擁有從晶體生長設備的設計、均勻多晶料制備、晶體生長及缺陷控制技術以及晶體后處理技術的全鏈條自主知識產權，掌握了大尺寸鈮酸鋰晶體生長產業(yè)化所需的關鍵核心技術。目前，恒元半導體通過科技成果轉化，已經開始批量生產6-8英寸Z軸、X軸光學級鈮酸鋰晶體。三年內，恒元半導體計劃將晶圓年產量達到25萬片。
哈佛大學研究報告指出，鈮酸鋰對于光子學的意義，等同于硅對于電子學的意義。據悉，酸鋰晶體是一種具有壓電、電光、聲光及非線性光學等多種效應的多功能晶體材料，且物理化學性質穩(wěn)定，是至今人們所發(fā)現(xiàn)的光子學性能最高、綜合指標最好的一種人工晶體，是集成光電子技術的核心基礎材料。研究表明，基于鈮酸鋰光學平臺開發(fā)出的全球領先微波光子芯片，可運用光子進行超快模擬電子信號處理及運算，比傳統(tǒng)電子處理器快1000倍，不僅能耗更低，而且應用范圍廣闊，涵蓋無線通信、高分辨率雷達、人工智能、計算機視覺、圖像/視頻處理等多個領域。
我國科學家開發(fā)出可批量制造的新型“光學硅”芯片
今年5月上旬，據中國青年報消息，我國中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員歐欣團隊，在鉭酸鋰異質集成晶圓及高性能光子芯片制備領域取得突破性進展，成功開發(fā)出可批量制造的新型“光學硅”芯片。相關成果論文5月8日發(fā)表于國際學術期刊《自然》。
歐欣團隊與合作者研究證明，與鈮酸鋰類似，單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優(yōu)異的電光轉換特性，且在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變等方面相比鈮酸鋰更具優(yōu)勢。此外，硅基鉭酸鋰異質晶圓的制備工藝與絕緣體上的硅更加接近，因此，鉭酸鋰薄膜可實現(xiàn)低成本和規(guī)模化制造，具有極高的應用價值。
科研團隊采用基于“萬能離子刀”的異質集成技術，通過離子注入結合晶圓鍵合的方法，制備了高質量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓；同時，與合作團隊聯(lián)合開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，成功制備出鉭酸鋰光子芯片。目前，團隊已攻關8英寸晶圓制備技術，為更大規(guī)模的國產光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了核心材料基礎。
清華大學團隊發(fā)布AI光芯片“太極-Ⅱ”和“太極-I”
今年8月清華大學發(fā)布消息，清華大學電子工程系方璐教授課題組和自動化系戴瓊海院士課題組首創(chuàng)了全前向智能光計算訓練架構，研制了“太極-II”光訓練芯片，實現(xiàn)了光計算系統(tǒng)大規(guī)模神經網絡的高效精準訓練。該研究成果以“光神經網絡全前向訓練”為題于《自然》期刊。
據論文第一作者、電子系博士生薛智威介紹，在太極-II架構下，梯度下降中的反向傳播化為了光學系統(tǒng)的前向傳播，光學神經網絡的訓練利用數據-誤差兩次前向傳播即可實現(xiàn)。兩次前向傳播具備天然的對齊特性，保障了物理梯度的精確計算。如此實現(xiàn)的訓練精度高，便能夠支撐大規(guī)模的網絡訓練。
今年4月發(fā)布的太極I具備879 T MACS/mm2的面積效率與160 TOPS/W的能量效率，首次賦能光計算實現(xiàn)自然場景千類對象識別、跨模態(tài)內容生成等人工智能復雜任務。太極-II的面世是繼太極I芯片之后的一大突破，進一步揭示了智能光計算的巨大潛力。如兩儀分立，太極I和II分別實現(xiàn)了高能效AI推理與訓練；又如兩儀調和，太極I和II共同構成了大規(guī)模智能計算的完整生命周期。
目前，在原理樣片的基礎上，清華大學該研究團隊正積極地向智能光芯片產業(yè)化邁進，在多種端側智能系統(tǒng)上進行了應用部署。
中國團隊成功研制完全可編程的拓撲光子芯片
5月末，北京大學物理學院現(xiàn)代光學研究所“極端光學創(chuàng)新研究團隊”的王劍威研究員、胡小永教授和龔旗煌院士團隊與中國科學院微電子研究所楊妍研究員等合作者，提出并實現(xiàn)了一種基于大規(guī)模集成光學的完全可編程拓撲光子芯片。相關研究成果以“A programmable topological photonic chip”為題，在線發(fā)表于Nature Materials。
這款芯片基于可重構的集成光學微環(huán)陣列，在僅11mm×7mm的面積內集成了2712個元件，首次成功實現(xiàn)了完全可編程的光學人造原子晶格。同時，研究人員在單一芯片平臺上實現(xiàn)了包括動態(tài)拓撲相變、多晶格拓撲絕緣體、統(tǒng)計相關拓撲魯棒性以及安德森拓撲絕緣體等多種拓撲現(xiàn)象的實驗驗證。
論文審稿的三名國際匿名評審人表示，這項工作證明了集成拓撲光子芯片的全能性，是本領域一項重大技術突破。該拓撲光子芯片代表了本領域最前沿的研究成果，也是迄今為止最為全面全能的可編程拓撲光子器件。
