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光子與光子芯片

光(guang)子(zi)學是與(yu)電(dian)子(zi)學平(ping)行(xing)的科學。科學家普遍(bian)認為(wei)，光(guang)子(zi)可以像(xiang)電(dian)子(zi)一樣作為(wei)信息(xi)載(zai)體來生(sheng)成(cheng)、處理、傳輸(shu)信息(xi)。

與電子(zi)相比，光子(zi)作為信息(xi)載體具有先天的優勢(shi)：超(chao)高(gao)速度、超(chao)強的并(bing)行性、超(chao)高(gao)帶寬、超(chao)低損耗(hao)。

光子(zi)能(neng)(neng)夠對現有的(de)電子(zi)芯片(pian)性能(neng)(neng)進行(xing)大幅度(du)提升，解決(jue)電子(zi)芯片(pian)解決(jue)不了的(de)功(gong)耗、訪存(cun)能(neng)(neng)力和計算機整體性能(neng)(neng)等難題。

更為重要(yao)的是(shi)，過去電子(zi)芯片主(zhu)要(yao)應用(yong)于(yu)計算和(he)存(cun)儲(chu)(chu)領域，而光子(zi)芯片可以(yi)在(zai)信息(xi)(xi)獲取、信息(xi)(xi)傳輸、信息(xi)(xi)處理(li)、信息(xi)(xi)存(cun)儲(chu)(chu)及信息(xi)(xi)顯(xian)示(shi)等領域催(cui)生眾多新(xin)的應用(yong)場景。

根據底層的科學(xue)邏輯(ji)可以判斷，人類一定會(hui)進入微(wei)光子(zi)學(xue)時代，利用(yong)微(wei)光子(zi)技術進行元器件的大(da)規模集成必定會(hui)實(shi)現(xian)。

電(dian)子(zi)芯片是利(li)用電(dian)子(zi)來(lai)生成、處理和(he)傳輸(shu)信息(xi)的，光子(zi)芯片則是利(li)用光子(zi)來(lai)生成、處理、傳輸(shu)并顯示信息(xi)的。

光子芯片(pian)是未來新一代信息產業(ye)的基礎(chu)設施和核心(xin)支撐。

替代(dai)電(dian)子芯片(pian)的趨勢

①以(yi)電子為載體的技術發展已趨(qu)近物理極限。

當下(xia)(xia)集成電(dian)路是以硅為基礎(chu)材(cai)料的(de)，硅原子的(de)直徑(jing)約為0.22納米(mi)，當制(zhi)程降至7納米(mi)以下(xia)(xia)時，極易(yi)出現電(dian)涌(yong)和電(dian)子擊穿問題，也就是已(yi)經(jing)很難完美地控制(zhi)電(dian)子了。

業內人士(shi)普遍認為集成電(dian)路的尺寸微縮最多(duo)到2030年(nian)就會(hui)達(da)到物理(li)極限，亟需尋找(zhao)創(chuang)新(xin)發展的出路。

②電子芯片尺(chi)寸(cun)降到極致時(shi)會出現[功耗墻]難(nan)題(ti)。

雖然(ran)國內外(wai)學術界和工業(ye)界進行了大量努力，但由于(yu)CMOS半導體功耗(hao)密度已(yi)接近極限，所以必須(xu)尋找(zhao)新途徑(jing)、新結(jie)構、新材料(liao)。

③電(dian)子芯片性能提升的同時，性價(jia)比在降(jiang)低。

電子(zi)是(shi)費米子(zi)，是(shi)有質(zhi)量的(de)物質(zhi)，所(suo)以在傳(chuan)輸信(xin)號時會(hui)因為(wei)質(zhi)量的(de)慣性產生較多的(de)能量損(sun)耗(hao)；

光是玻色子，是物質(zhi)之間(jian)的(de)相互(hu)作用力(li)，靜止質(zhi)量(liang)為(wei)零，傳輸(shu)信號(hao)時能量(liang)損耗小。

④光子芯片徹底改變(bian)了數據密集(ji)型技(ji)術。

這些激光(guang)供電(dian)(dian)設備(bei)可以單獨或與傳統電(dian)(dian)子電(dian)(dian)路(lu)配合使(shi)用，以光(guang)速(su)發送和處理(li)信(xin)息，使(shi)其成(cheng)為人工智(zhi)能(neng)數(shu)據饑(ji)渴應(ying)用的(de)有前(qian)途的(de)解決(jue)方案。

⑤光子芯片(pian)不(bu)會像電(dian)子芯片(pian)那樣(yang)必(bi)須使用極(ji)紫外光刻機(ji)（EUV）等極(ji)高(gao)端的光刻機(ji)。

⑥光的矩陣(zhen)乘法并行(xing)能力要遠(yuan)(yuan)強(qiang)于電(dian)(dian)子芯片、延時遠(yuan)(yuan)遠(yuan)(yuan)低于電(dian)(dian)芯片，更適合AI大數據的線性運算需求。

從數據來看，光(guang)子芯片的計算速度較(jiao)電(dian)子芯片快約1000倍。

目前硅光芯片實現可能更大

光子芯(xin)片(pian)的概念有兩(liang)種(zhong)(zhong)，一(yi)種(zhong)(zhong)是光量子芯(xin)片(pian)，一(yi)種(zhong)(zhong)是硅(gui)光芯(xin)片(pian)，目前更多是指的硅(gui)光芯(xin)片(pian)。

近年來(lai)隨著技(ji)術(shu)的發展，包括硅、氮化(hua)(hua)硅、磷化(hua)(hua)銦、III-V族化(hua)(hua)合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料(liao)體系(xi)已被(bei)用于研(yan)發單片(pian)(pian)集成或混合集成的光子芯片(pian)(pian)。

目前(qian)純(chun)光(guang)子(zi)(zi)器(qi)(qi)件(jian)已能(neng)(neng)作為(wei)獨立的(de)功能(neng)(neng)模塊使用，但是(shi)，由于(yu)光(guang)子(zi)(zi)本(ben)身難(nan)以靈(ling)活控制光(guang)路開關，也不能(neng)(neng)作為(wei)類似微電子(zi)(zi)器(qi)(qi)件(jian)的(de)存儲(chu)單元，純(chun)光(guang)子(zi)(zi)器(qi)(qi)件(jian)自身難(nan)以實現完整的(de)信(xin)息處理功能(neng)(neng)。

因此，依(yi)然需(xu)借助電(dian)子器件實現。

因此，完美意(yi)義上的純[光(guang)子芯片]仍處于概(gai)念階段，尚未形(xing)成可實用的系統(tong)。

光子(zi)芯(xin)片(pian)需要(yao)與(yu)成熟的(de)電子(zi)芯(xin)片(pian)技術融合(he)，運用(yong)電子(zi)芯(xin)片(pian)先進的(de)制造工藝及模(mo)塊(kuai)化技術，結合(he)光子(zi)和(he)電子(zi)優勢的(de)硅光技術將是未(wei)來的(de)主流形態。

硅光(guang)芯片(pian)作為一種底層的(de)硬件支持，采用的(de)是光(guang)電(dian)混合結構(gou)。

首先會加載到(dao)數(shu)字電芯片上(shang)面，數(shu)字電芯片會把這些指令和交(jiao)互點(dian)做一個切(qie)分(fen)和分(fen)解，它只需要(yao)在(zai)編譯器(qi)和底層驅動上(shang)添加一些新(xin)的(de)功能。

絕大部分的非(fei)線性指令、一(yi)些數據的調(diao)度指令，都是基(ji)于現有(you)數字電芯片(pian)去做的。

從軟(ruan)件和生態(tai)適配的角(jiao)度來(lai)講，它能(neng)達(da)成的能(neng)力與現有生態(tai)是一樣(yang)的，但(dan)材料變(bian)了，核心傳輸模式變(bian)了。

它用光(guang)來傳輸(shu)數據，光(guang)子芯(xin)片的材料更多是(shi)InP、GaAS等二代化合物，而集成(cheng)電(dian)路一般采用硅(gui)片。

根據光網絡市場分析機構(gou)Yole數據顯示，2021年(nian)全球(qiu)光模塊市場規模約為104億美(mei)元，預計2027年(nian)將增長(chang)至247億美(mei)元，其年(nian)復合增長(chang)率(lv)達15%。

硅(gui)光技(ji)術(shu)提(ti)供(gong)商宏芯科(ke)技(ji)宣布正式推出基于(yu)自研硅(gui)光芯片的(de)數據(ju)中心光互連應用400G硅(gui)光模塊，其中400GDR4已達到量產。

該(gai)系(xi)列的400GDR4和400GFR4兩款產(chan)品將(jiang)以低成本、低功(gong)耗等優勢助(zhu)力數據中心光網絡升級發展(zhan)。

宏芯(xin)科(ke)(ke)技(ji)已經(jing)成長為國(guo)內具有硅光(guang)[芯(xin)片研發-模(mo)塊(kuai)研發-模(mo)塊(kuai)制造]全鏈條技(ji)術能力的(de)科(ke)(ke)技(ji)公(gong)司。

芯片由(you)電到光，國產(chan)突破的重(zhong)要(yao)技術(shu)路線

不同于電子芯片(pian)側重(zhong)光(guang)刻環節，而光(guang)子芯片(pian)側重(zhong)外延設(she)計(ji)與(yu)制備(bei)環節，而非(fei)光(guang)刻環節，不再依(yi)賴先進工藝。

這也決定了(le)光子芯(xin)片行業中，IDM模式是主(zhu)流(liu)。

而(er)恰好國(guo)產光(guang)芯片典型(xing)玩(wan)家均選擇了(le)IDM模式，如(ru)仕佳光(guang)子(zi)、長光(guang)華芯、源杰科技。

據(ju)Gartner預(yu)測，到2025年全球光子芯片(pian)市(shi)場規模(mo)有望達561億美元。

目前來看，全(quan)球市場中，高意集團（II-VI）、Lumentum等(deng)占(zhan)據領先地位，長(chang)光(guang)華芯、源杰(jie)科技(ji)等(deng)本(ben)土企業已在高功(gong)率激光(guang)芯片(pian)、高速率激光(guang)芯片(pian)等(deng)領域(yu)取得(de)進展。

去年9月中(zhong)旬有消息(xi)傳出，臺積電(dian)已與英(ying)偉達合作(zuo)硅光子集成(cheng)研(yan)發項(xiang)目，前者將在圖形硬件上(shang)使用(yong)COUPE硅光子芯片(pian)異構集成(cheng)技術。

產業(ye)尚(shang)未打開遠期(qi)成(cheng)長天花板

目(mu)前的光(guang)子芯片產業發展中依然(ran)沒有擺脫在(zai)設(she)計(ji)和(he)應用領域規模較大，而在(zai)設(she)備、制造、封測等基礎(chu)領域實力弱小的局面(mian)。

至今，我國尚沒有一家專業(ye)的光子(zi)芯(xin)片代工(gong)企業(ye)，國內光子(zi)芯(xin)片行(xing)業(ye)尚未形成成熟(shu)的設計、代工(gong)、封測產業(ye)鏈。

華泰證*指出(chu)，未(wei)來我國(guo)光子(zi)芯片廠商成長路徑有望經歷兩個階段：

①在細分領域憑(ping)借自(zi)身技術實力，綁定優質客戶，推進(jin)本土化進(jin)程。

②產品品類橫向(xiang)擴張，打開遠期成長天(tian)花板(ban)。

隨著(zhu)國內相關(guan)技術的快速發(fa)展，中(zhong)外差距正日益縮小，且(qie)我國在(zai)局部已具有領先優勢。

結尾

光芯(xin)片(pian)(pian)對(dui)比電子芯(xin)片(pian)(pian)，類似于從燃油車發動機(ji)、變速箱到電動車電機(ji)、電池(chi)到電控的(de)(de)一種變革，存在替代(dai)EUV光刻(ke)機(ji)的(de)(de)一種新的(de)(de)可能性(xing)。

光(guang)子對電子并(bing)不是替(ti)代關系，準確地講(jiang)光(guang)子產(chan)業是對電子產(chan)業的(de)升級，能夠催生新的(de)產(chan)業。