芯耀
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作者 | 方文三
信息時代的基礎設施是電子芯片，人工智能時代將更多地依托光子芯片。
光子與光子芯片
光子學是與電子學平行的科學?？茖W家普遍認為，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、超強的并行性、超高帶寬、超低損耗。
光子能夠對現(xiàn)有的電子芯片性能進行大幅度提升，解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計算機整體性能等難題。
更為重要的是，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。
根據(jù)底層的科學邏輯可以判斷，人類一定會進入微光子學時代，利用微光子技術進行元器件的大規(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)的基礎設施和核心支撐。
替代電子芯片的趨勢
①以電子為載體的技術發(fā)展已趨近物理極限。
當下集成電路是以硅為基礎材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當制程降至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)內人士普遍認為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會達到物理極限，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。
雖然國內外學術界和工業(yè)界進行了大量努力，但由于CMOS半導體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結構、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，是有質量的物質，所以在傳輸信號時會因為質量的慣性產(chǎn)生較多的能量損耗；
光是玻色子，是物質之間的相互作用力，靜止質量為零，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。
這些激光供電設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（EUV）等極高端的光刻機。
⑥光的矩陣乘法并行能力要遠強于電子芯片、延時遠遠低于電芯片，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，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融合，運用電子芯片先進的制造工藝及模塊化技術，結合光子和電子優(yōu)勢的硅光技術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構。
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)絡市場分析機構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，預計2027年將增長至247億美元，其年復合增長率達15%。
硅光技術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)中心光互連應用400G硅光模塊，其中400G DR4已達到量產(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)絡升級發(fā)展。
宏芯科技已經(jīng)成長為國內具有硅光[芯片研發(fā)-模塊研發(fā)-模塊制造]全鏈條技術能力的科技公司。
芯片由電到光，國產(chǎn)突破的重要技術路線
不同于電子芯片側重光刻環(huán)節(jié)，而光子芯片側重外延設計與制備環(huán)節(jié)，而非光刻環(huán)節(jié)，不再依賴先進工藝。
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預測，到2025年全球光子芯片市場規(guī)模有望達561億美元。
目前來看，全球市場中，高意集團（II-VI）、Lumentum等占據(jù)領先地位，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域取得進展。
去年9月中旬有消息傳出，臺積電已與英偉達合作硅光子集成研發(fā)項目，前者將在圖形硬件上使用COUPE硅光子芯片異構集成技術。
產(chǎn)業(yè)尚未打開遠期成長天花板
目前的光子芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展中依然沒有擺脫在設計和應用領域規(guī)模較大，而在設備、制造、封測等基礎領域實力弱小的局面。
至今，我國尚沒有一家專業(yè)的光子芯片代工企業(yè)，國內光子芯片行業(yè)尚未形成成熟的設計、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在細分領域憑借自身技術實力，綁定優(yōu)質客戶，推進本土化進程。
②產(chǎn)品品類橫向擴張，打開遠期成長天花板。
隨著國內相關技術的快速發(fā)展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領先優(yōu)勢。
結尾：
光芯片對比電子芯片，類似于從燃油車發(fā)動機、變速箱到電動車電機、電池到電控的一種變革，存在替代EUV光刻機的一種新的可能性。
光子對電子并不是替代關系，準確地講光子產(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 國內首條多材料光子芯片產(chǎn)線即將建成》
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