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來源：半導體產業縱橫 1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾提出摩爾定律，預測每隔18個月到24個月，芯片的晶體管密度就會增加一倍。然而，以硅為基礎的電子芯片發展了幾十年后，承載能力已經逼近物理理論的極限。 光子芯片的出現，被看作突破摩爾定律的重要途徑之一。 近日，香港城市大學副教授王騁團隊與香港中文大學研究人員合作，利用鈮酸鋰為平臺，開發出處理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可運用光學進行超快模擬電子信號處理及運算。 相關研究成果在2月29日發表于《自然》。據悉，集成鈮酸鋰微波光子芯片不僅速度比傳統電子處理器快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不再陌生，關于光子芯片領域的新技術也頻頻涌現。比如2022年12月，上海交通大學電子信息與電氣工程學院電子工程系鄒衛文教授團隊就提出了光子學與計算科學交叉的創新思路，研制了實現高速張量卷積運算的新型光子張量處理芯片，相關成果以“基于集成光子芯片的高階張量流式處理”為題發表在《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方面的實力，也為全球光子芯片產業的發展做出了重要貢獻。 近10年來，光子技術已經成為新一代信息技術、人工智能、智能汽車、醫藥健康等下一個應用領域關注的焦點，也被相關國家視為保持國際市場先進地位的關鍵技術之一。 光子技術為什么如此受重視？半導體產業縱橫帶領大家一探究竟！ 01 光子技術為何備受青睞？ 光子芯片簡單說就是利用光信號進行數據獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。光子芯片在當下時代備受追捧主要得益于其兩方面的優勢：其一為性能優勢；其二則是制造優勢。 優勢一：高計算速度、低功耗、低時延 相比傳統的電子芯片，光子芯片有很多優勢，主要表現為高速率和低功耗。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百倍。 另外，光具有天然的并行處理能力以及成熟的波分復用技術，從而使光子芯片的數據處理能力、容量及帶寬均大幅度提升；光波的頻率、波長、偏振態和相位等信息可以代表不同的數據，且光路在交叉傳輸時互不干擾。這些特性使得光子擅長做并行運算，與多數計算過程花在“矩陣乘法”上的人工神經網絡相契合。 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，外延設計及制造才是技術門檻最高的核心部分。光的技術路線具有高速度、低能耗、抗串擾等優勢，可以替代電做的很多事情。 中科鑫通微電子技術（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，使用我國已經相對成熟的原材料和設備就能生產。” 02 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，當半導體制程達到3納米后，已經非常接近物理極限，所以要復刻過去的每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，而內存性能的提升速度約為每年10%，長期累積下來，不平衡的發展速度造成了當前內存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪存瓶頸導致高性能處理器難以發揮出應有的功效。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。業界普遍認為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。根據SEMI國際半導體產業協會的芯片主流設計成本模型圖，采用FinFET工藝的5納米芯片設計成本已是28納米工藝設計成本的近8倍，更復雜的GAA結構的設計成本只會更高，這僅是芯片設計、制造、封裝、測試中的設計環節。制造環節的晶圓代工廠的研發、建廠、購買生產設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”。因為目前在芯片領域，電子芯片仍占據主導地位，特別是存儲領域，仍是電存儲芯片的天下，光存儲還未實現量產突破。在傳輸相關領域，如光通訊上，光子芯片已經被大量使用，占主要地位。在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電集成的結合，還需要很長一段時間逐步替代，才能實現全光計算。 從產業發展角度來看，光子對電子并不是替代關系，準確地講光子產業是對電子產業的升級，能夠催生新的產業。 03 光子芯片是人工智能的基石 過去電子芯片主要應用于計算和存儲領域，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域催生眾多新的應用場景。 在信息獲取方面，激光雷達、光傳感將在人工智能、自動駕駛、物聯網等領域形成新的應用場景。 在信息傳輸方面，形成了5G、光通信、量子通信等為代表的應用場景，產業規模巨大。 在信息處理方面，形成了光子計算、量子計算等應用場景，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、光收發模塊等將形成云計算與大數據中心等新的應用場景。 在信息顯示方面，將形成VR、AR及microLED等新的信息顯示應用場景。 此外，光子芯片在生命健康、超導材料以及國防裝備等方面，將形成神經光子學、免疫分析、高超音速武器等新的重大應用場景。 如果說信息時代的基礎設施是電子芯片，那么人工智能時代將更多地依托光子芯片。 04 布局光子芯片，各國均在路上 早在20世紀80年代，美日歐等發達國家就開始投入布局光子技術和產業。 當前光子芯片發展正處于類似于當年大規模集成電路發展初期的關鍵節點，即將迎來產業的一次大爆發。 從市場格局來看，美國是硅光子領域起步最早也是發展最好的國家，1991年美國便成立了“美國光電子產業振興會”，以引導資本和各方力量進入光電子領域。2014年，美國又建立了“國家光子計劃”產業聯盟，明確將支持發展光學與光子基礎研究與早期應用研究計劃開發。 歐洲和日本也在跟進，歐盟將光子技術納入“地平線2020”、“（ECSEL JU）年度戰略計劃”等國家戰略；日韓則加大對光子技術的研發和支持，以保持其行業領先的地位。 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主要關注工業/國防等高功率應用，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、消費類應用領域，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用程度較高，中國本土企業可以基于自身技術積累切入。 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業化起步較早，技術上具備領先優勢，傳統巨頭包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。不過隨著中國本土激光芯片技術不斷突破，相關產業處于快速發展期，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，First-sensor、濱松、Kyosemi、安森美、濱松、博通等公司把握關鍵的技術方案。中國本土企業在光探測芯片領域的市占率較低，主要原因在于沒有完整的生產加工體系。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憑借技術優勢主導VCSEL芯片市場，據Yole統計，Lumentum、II-IV兩家公司在2021年的市場合計份額超過80%。中國本土傳感應用類VCSEL芯片企業主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、檸檬光子、博升光電、瑞識科技等，大多數是創業型公司，VCSEL芯片量產能力有限，與國際大廠之間還有明顯差距。不過，憑借后發優勢，這些中國本土企業正在努力趕上國際先進技術和產品發展腳步。 在硅光芯片方面，全球硅光技術及產業化領先的玩家主要包括英特爾、思科和Inphi，近些年，思科、華為、Ciena、Juniper等知名企業紛紛通過收購來布局硅光技術，Marvell、思科、諾基亞等斥資百億美元先后收購 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光領域的創新企業。英特爾和臺積電都在大力開發硅光子制造工藝技術，已經形成較為完整的硅光芯片產業鏈。 05 在高速通信、量子計算領域大放光彩 高速通信是光子芯片 領域的重要應用之一。與傳統的電信號相比，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，能夠實現高速的光信號傳輸，為現代通信技術的發展提供了強有力的支持。 在中國的高速通信網絡建設中，光子芯片被廣泛應用于光纖傳輸系統、光子交換機、光放大器等關鍵設備中，使得通信網絡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了1 Tb/s的高速光通信傳輸，在海底光纖通信網絡中也取得了重大突破。這些成果不僅推動了中國通信產業的快速發展，也在全球范圍內引起了極大的關注。 光子芯片在量子計算領域也展現出巨大的應用潛力。量子計算作為一種新型的計算模式，利用量子力學的特性進行計算，有著比傳統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量子計算的關鍵技術之一。中國在光子芯片的研究中取得的重要突破，為量子計算的實現提供了新的可能。 中國科學家在單光子處理、量子糾纏等關鍵領域取得了重要進展，為光量子計算的實際應用奠定了基礎。目前，中國已經建成了世界上第一臺光量子計算機，并在相關的理論與算法研究上取得了國際領先地位。這些成果不僅對于我國科技實力的提升至關重要，也對于全球量子計算技術的發展具有重要的推動作用。 06 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域已經展現出了強大的潛力和實力。 由中國科學院西安分院、陜西省科學院和西安高新技術產業開發區管理委員會指導和支持，陜西光子創新中心、西科控股、中科創星、硬科技智庫（西安市中科硬科技創新研究院）和光電子先導院聯合編寫的《光子時代：光子產業發展白皮書》中詳細展示了武漢、西安、蘇州、無錫四座城市在光子產業方面的體系化布局及優勢分析。 《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唯一的國家中心城市，目前其光子產業集群已初具規模，初步形成了光子制造、光子信息、光子傳感等產業集群，在特定關鍵核心技術等方面擁有較強的領先優勢。與此同時，200余家光子技術企業集聚西安，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光子領先企業。預計到2023年，西安將實現千億級產業規模目標。 武漢是全國較早進行光電子產業基地規劃和布局的城市，是我國光子產業的領跑先鋒和產業高地。武漢以“中國光谷”建設為引領，加快光子產業布局，光子產業主體總量突破19.1萬戶，建成了全球最大的光纖光纜產業基地，銷量全球第一，光器件研發生產全國第一，通信系統設備研發位居全球第一方陣，未來將打造以光電子信息技術為基礎、未來產業與經濟社會深度融合的“世界光谷”。 蘇州被稱為“中國光電纜之都”，形成了國內最為完整的光通信產業鏈和最具影響力的產業集群，在全國乃至國際上樹起了蘇州光通信的整體區域品牌。蘇州將光子產業定為全市“1號產業工程”，出臺“高光20條”，加速搶占光子產業“制高點”，擁有一批光子領域高企（高成長企業）、瞪羚（指創業后跨過死亡谷，以科技創新或商業模式創新為支撐進入高成長期的中小企業）、獨角獸培育企業，其中，光子領域國家級高企數量達142家，形成了完善的企業梯次發展方陣。 無錫是我國較早布局半導體產業的地區之一，被稱為中國集成電路產業人才的“黃埔軍校”。《白皮書》顯示，2022年，無錫半導體產業規模居全國第二，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業不可或缺的重要產品后，無錫緊抓新機遇，加快布局光子產業，出臺“新光18條”，圍繞硅光產業領域，打造光子芯片中試線，并在產業鏈上中下游積累了一批重大平臺和龍頭企業，同時積極向光傳感、光計算、光通信等其他應用領域延伸。 除了上述幾家城市，北京作為中國首都和科技創新中心，擁有眾多高校和研究機構，以及一批優秀的科技企業，為光子芯片的研發和產業化提供了良好的環境和資源。上海作為中國最大的城市之一和經濟中心，也在光子芯片領域進行了大量的投入和研發，并已經取得了一定的成果。 然而，要成為真正的“光子芯片之城”，這些城市還需要在技術研發、人才培養、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業的全球競爭態勢，積極參與國際合作，推動光子芯片產業的全球發展。 |
