深度丨“全優(yōu)”光子芯片，會(huì)是下一代處理器嗎？

隨著設(shè)計(jì)者不斷將各種元件添加到芯片上，芯片產(chǎn)生的熱量自然會(huì)升高。

最近幾十年計(jì)算機(jī)能耗飛漲，目前數(shù)據(jù)中心所耗能源占全世界能源的1%，僅谷歌一家公司每年耗費(fèi)的能源比斯里蘭卡整個(gè)國家還要多。

光子產(chǎn)業(yè)進(jìn)入爆發(fā)前期

光芯片在提升計(jì)算機(jī)運(yùn)算速率上具有巨大的潛力，未來光子芯片替代微電子芯片將是大勢(shì)所趨。

[光進(jìn)電退]演進(jìn)至芯片內(nèi)部，光芯片與微電子芯片比較，在算力、能耗、成本、尺寸方面優(yōu)勢(shì)明顯。

從產(chǎn)業(yè)鏈來看，下游及終端客戶對(duì)上游光子器件的要求更加精密、輕薄，加工工藝更加高效、精準(zhǔn)、復(fù)雜。

隨著下游智能手機(jī)攝像、識(shí)別模組的升級(jí)、自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟、安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)的智能化到無人機(jī)的普及等，直接帶動(dòng)光子器件的市場(chǎng)需求。

同時(shí)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)從4G到5G的發(fā)展，生物識(shí)別技術(shù)在消費(fèi)電子中的應(yīng)用、芯片材料的改良改進(jìn)等外部技術(shù)的進(jìn)步，光子產(chǎn)業(yè)將迎來了良好的發(fā)展機(jī)遇。

市場(chǎng)研究公司Marketsand Markets預(yù)計(jì)，到2023年，全球光子學(xué)市場(chǎng)的規(guī)模將從2017年的5200億美元增長到2023年的7804億美元，復(fù)合年增長率為7.0%。

市場(chǎng)需求增長主要是受到信息通信技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)、生命科學(xué)、自動(dòng)化視覺等領(lǐng)域的應(yīng)用需求增長的驅(qū)動(dòng)。

有望帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入[從電到光]

光子芯片技術(shù)有望帶動(dòng)整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入[從電到光]的轉(zhuǎn)變，并在未來光存儲(chǔ)、光顯示、光互聯(lián)、光計(jì)算，以及醫(yī)療衛(wèi)生和航天、國防等領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

目前，全球部分國家正在加緊進(jìn)行科研和產(chǎn)業(yè)布局，可以預(yù)見是，未來誰能率先在光子技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，誰就能搶占信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的制高點(diǎn)。

2018年1月，國家工信部發(fā)布了中國光電子器件發(fā)展五年路線圖（2018-2022），其中明確提及了中國光通信器件產(chǎn)業(yè)目標(biāo)：

2022年中低端光電子芯片國產(chǎn)化率超過60%，高端光電子芯片的國產(chǎn)化率突破20%；

2022年國內(nèi)企業(yè)占據(jù)全球光通信器件市場(chǎng)份額的30%以上，有1家企業(yè)進(jìn)入全球前3名。

光子能夠?qū)ΜF(xiàn)有的電子芯片性能進(jìn)行大幅度提升，解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計(jì)算機(jī)整體性能等難題。

更為重要的是，過去電子芯片主要應(yīng)用于計(jì)算和存儲(chǔ)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(chǔ)及信息顯示等領(lǐng)域催生眾多新的應(yīng)用場(chǎng)景。

由于其與CMOS工藝兼容的特點(diǎn)，以及量子計(jì)算的推進(jìn)，谷歌、微軟等科技巨頭，還有IBM、英特爾等傳統(tǒng)芯片龍頭，都投入了大量的資金研究。

國內(nèi)已取得重要的研究進(jìn)展

有國內(nèi)的光量子計(jì)算公司，已掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維和超高速光子芯片核心技術(shù)與工藝，從設(shè)計(jì)、流片到封裝測(cè)試，再到系統(tǒng)集成和量子算法，實(shí)現(xiàn)了光量子計(jì)算芯片的全鏈條研發(fā)。

2020年4月29日，在山西大學(xué)光電研究所某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，教授正在調(diào)試光電檢測(cè)設(shè)備如今的光芯片，最難的仍然是高精度的微納加工技術(shù)。

2021年7月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)，通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實(shí)時(shí)后處理，發(fā)明了速率達(dá)18.8Gbps、迄今最快的實(shí)時(shí)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

日前國內(nèi)一家公司曦智科技發(fā)布了新一代光子計(jì)算處理器PACE，1GHz頻率下某些運(yùn)算的性能就是GPU的數(shù)百倍了。

芯片替代電子芯片的可能性

當(dāng)制程降至7納米以下時(shí)，極易出現(xiàn)電涌和電子擊穿問題，也就是已經(jīng)很難完美地控制電子了。

業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會(huì)達(dá)到物理極限，亟需尋找創(chuàng)新發(fā)展的出路。

電子芯片尺寸降到極致時(shí)會(huì)出現(xiàn)功耗墻難題，巨大的耗能壓力就是計(jì)算機(jī)發(fā)展的最大技術(shù)障礙之一。

由于CMOS半導(dǎo)體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結(jié)構(gòu)、新材料。

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%，簡(jiǎn)單來講就是大量信息存儲(chǔ)不過來、計(jì)算不過來。

電子芯片性能提升的同時(shí)，性價(jià)比在降低。業(yè)界普遍認(rèn)為，28納米是芯片性價(jià)比最高的尺寸。

更復(fù)雜的GAA結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本只會(huì)更高，這僅是芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試中的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

光子芯片與電子芯片最大區(qū)別之處就是它的信號(hào)不同光子芯片，它的信號(hào)是光信號(hào)。

可以說，信息時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施是電子芯片，人工智能時(shí)代將更多地依托光子芯片，光子芯片是未來新一代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施和核心支撐。

光子芯片未克服的難點(diǎn)

目前還未形成有效的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)流程不固定，輔助設(shè)計(jì)工具不完善。

光子芯片制造并不容易—它內(nèi)部的器件都是三維結(jié)構(gòu)，集成要考慮的因素就變多了，同時(shí)還引入了光學(xué)相關(guān)因素，會(huì)出現(xiàn)一些不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

加工的材料也不單純是硅，還有化合物，這讓制造的復(fù)雜性進(jìn)一步提升。

硅光芯片和InP類的光芯片，都涉及光的耦合，物理模型不好建立，同時(shí)制作成本也比傳統(tǒng)芯片高。

結(jié)尾：

對(duì)我國而言，既要在傳統(tǒng)賽道電子芯片領(lǐng)域盡快補(bǔ)短板，也要盡早在光子芯片等新賽道布局發(fā)力。

雙管齊下，抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機(jī)遇，努力爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)[非對(duì)稱趕超]。

部分資料參考：

Engineering：《效率更高、能耗更低的光子芯片，會(huì)是下一代處理器嗎？》

《光子芯片有望成為下一代芯片技術(shù)發(fā)展方向》

上觀新聞：《上理工光子芯片成果“點(diǎn)亮”全球首塊納米三維立體屏》

財(cái)先說：《國產(chǎn)半導(dǎo)體多點(diǎn)開花，光子芯片取得突破，能否實(shí)現(xiàn)換道超車？》