深度丨光子芯片的變革之處：理想·邏輯·現(xiàn)實

作者 | 方文三

信息時代的基礎(chǔ)設(shè)施是電子芯片，人工智能時代將更多地依托光子芯片。

光子與光子芯片

光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)?？茖W(xué)家普遍認(rèn)為，光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息。

與電子相比，光子作為信息載體具有先天的優(yōu)勢：超高速度、超強(qiáng)的并行性、超高帶寬、超低損耗。

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。

根據(jù)底層的科學(xué)邏輯可以判斷，人類一定會進(jìn)入微光子學(xué)時代，利用微光子技術(shù)進(jìn)行元器件的大規(guī)模集成必定會實現(xiàn)。

電子芯片是利用電子來生成、處理和傳輸信息的，光子芯片則是利用光子來生成、處理、傳輸并顯示信息的。

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。

替代電子芯片的趨勢

①以電子為載體的技術(shù)發(fā)展已趨近物理極限。

當(dāng)下集成電路是以硅為基礎(chǔ)材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當(dāng)制程降至7納米以下時，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年就會達(dá)到物理極限，亟需尋找創(chuàng)新發(fā)展的出路。

②電子芯片尺寸降到極致時會出現(xiàn)[功耗墻]難題。

雖然國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進(jìn)行了大量努力，但由于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。

③電子芯片性能提升的同時，性價比在降低。

電子是費米子，是有質(zhì)量的物質(zhì)，所以在傳輸信號時會因為質(zhì)量的慣性產(chǎn)生較多的能量損耗；

光是玻色子，是物質(zhì)之間的相互作用力，靜止質(zhì)量為零，傳輸信號時能量損耗小。

④光子芯片徹底改變了數(shù)據(jù)密集型技術(shù)。

這些激光供電設(shè)備可以單獨或與傳統(tǒng)電子電路配合使用，以光速發(fā)送和處理信息，使其成為人工智能數(shù)據(jù)饑渴應(yīng)用的有前途的解決方案。

⑤光子芯片不會像電子芯片那樣必須使用極紫外光刻機(jī)（EUV）等極高端的光刻機(jī)。

⑥光的矩陣乘法并行能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于電子芯片、延時遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電芯片，更適合AI大數(shù)據(jù)的線性運算需求。

從數(shù)據(jù)來看，光子芯片的計算速度較電子芯片快約1000倍。

目前硅光芯片實現(xiàn)可能更大

光子芯片的概念有兩種，一種是光量子芯片，一種是硅光芯片，目前更多是指的硅光芯片。

近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，包括硅、氮化硅、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用于研發(fā)單片集成或混合集成的光子芯片。

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(guān)，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(xiàn)完整的信息處理功能。

因此，依然需借助電子器件實現(xiàn)。

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)。

光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運用電子芯片先進(jìn)的制造工藝及模塊化技術(shù)，結(jié)合光子和電子優(yōu)勢的硅光技術(shù)將是未來的主流形態(tài)。

硅光芯片作為一種底層的硬件支持，采用的是光電混合結(jié)構(gòu)。

首先會加載到數(shù)字電芯片上面，數(shù)字電芯片會把這些指令和交互點做一個切分和分解，它只需要在編譯器和底層驅(qū)動上添加一些新的功能。

絕大部分的非線性指令、一些數(shù)據(jù)的調(diào)度指令，都是基于現(xiàn)有數(shù)字電芯片去做的。

從軟件和生態(tài)適配的角度來講，它能達(dá)成的能力與現(xiàn)有生態(tài)是一樣的，但材料變了，核心傳輸模式變了。

它用光來傳輸數(shù)據(jù)，光子芯片的材料更多是InP、GaAS等二代化合物，而集成電路一般采用硅片。

根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)市場分析機(jī)構(gòu)Yole數(shù)據(jù)顯示，2021年全球光模塊市場規(guī)模約為104億美元，預(yù)計2027年將增長至247億美元，其年復(fù)合增長率達(dá)15%。

硅光技術(shù)提供商宏芯科技宣布正式推出基于自研硅光芯片的數(shù)據(jù)中心光互連應(yīng)用400G硅光模塊，其中400G DR4已達(dá)到量產(chǎn)。

該系列的400GDR4和400G FR4兩款產(chǎn)品將以低成本、低功耗等優(yōu)勢助力數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)升級發(fā)展。

宏芯科技已經(jīng)成長為國內(nèi)具有硅光[芯片研發(fā)-模塊研發(fā)-模塊制造]全鏈條技術(shù)能力的科技公司。

芯片由電到光，國產(chǎn)突破的重要技術(shù)路線

不同于電子芯片側(cè)重光刻環(huán)節(jié)，而光子芯片側(cè)重外延設(shè)計與制備環(huán)節(jié)，而非光刻環(huán)節(jié)，不再依賴先進(jìn)工藝。

這也決定了光子芯片行業(yè)中，IDM模式是主流。

而恰好國產(chǎn)光芯片典型玩家均選擇了IDM模式，如仕佳光子、長光華芯、源杰科技。

據(jù)Gartner預(yù)測，到2025年全球光子芯片市場規(guī)模有望達(dá)561億美元。

目前來看，全球市場中，高意集團(tuán)（II-VI）、Lumentum等占據(jù)領(lǐng)先地位，長光華芯、源杰科技等本土企業(yè)已在高功率激光芯片、高速率激光芯片等領(lǐng)域取得進(jìn)展。

去年9月中旬有消息傳出，臺積電已與英偉達(dá)合作硅光子集成研發(fā)項目，前者將在圖形硬件上使用COUPE硅光子芯片異構(gòu)集成技術(shù)。

產(chǎn)業(yè)尚未打開遠(yuǎn)期成長天花板

目前的光子芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展中依然沒有擺脫在設(shè)計和應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模較大，而在設(shè)備、制造、封測等基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嵙θ跣〉木置妗?/p>

至今，我國尚沒有一家專業(yè)的光子芯片代工企業(yè)，國內(nèi)光子芯片行業(yè)尚未形成成熟的設(shè)計、代工、封測產(chǎn)業(yè)鏈。

華泰證券指出，未來我國光子芯片廠商成長路徑有望經(jīng)歷兩個階段：

①在細(xì)分領(lǐng)域憑借自身技術(shù)實力，綁定優(yōu)質(zhì)客戶，推進(jìn)本土化進(jìn)程。

②產(chǎn)品品類橫向擴(kuò)張，打開遠(yuǎn)期成長天花板。

隨著國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領(lǐng)先優(yōu)勢。

結(jié)尾：

光芯片對比電子芯片，類似于從燃油車發(fā)動機(jī)、變速箱到電動車電機(jī)、電池到電控的一種變革，存在替代EUV光刻機(jī)的一種新的可能性。

光子對電子并不是替代關(guān)系，準(zhǔn)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)。

部分資料參考：

新華社新媒體：《以科技革命的戰(zhàn)略眼光布局光子芯片播》，36氪：《國產(chǎn)光子芯片成為另一種可能》，半導(dǎo)體行業(yè)觀察：《硅光芯片：如何決勝后摩爾時代的新賽道》，鈦媒體：《科學(xué)家用光子芯片[點亮]量子計算》，科創(chuàng)板日報：《不依賴極高端光刻機(jī) 國內(nèi)首條多材料光子芯片產(chǎn)線即將建成》