深度丨光子芯片的变革之处：理想·逻辑·现实

作者 | 方文三

信息时代的基础设施是电子芯片，人工智能时代将更多地依托光子芯片。

光子与光子芯片

光子学是与电子学平行的科学。科学家普遍认为，光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息。

与电子相比，光子作为信息载体具有先天的优势：超高速度、超强的并行性、超高带宽、超低损耗。

光子能够对现有的电子芯片性能进行大幅度提升，解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题。

更为重要的是，过去电子芯片主要应用于计算和存储领域，而光子芯片可以在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储及信息显示等领域催生众多新的应用场景。

根据底层的科学逻辑可以判断，人类一定会进入微光子学时代，利用微光子技术进行元器件的大规模集成必定会实现。

电子芯片是利用电子来生成、处理和传输信息的，光子芯片则是利用光子来生成、处理、传输并显示信息的。

光子芯片是未来新一代信息产业的基础设施和核心支撑。

替代电子芯片的趋势

①以电子为载体的技术发展已趋近物理极限。

当下集成电路是以硅为基础材料的，硅原子的直径约为0.22纳米，当制程降至7纳米以下时，极易出现电涌和电子击穿问题，也就是已经很难完美地控制电子了。

业内人士普遍认为集成电路的尺寸微缩最多到2030年就会达到物理极限，亟需寻找创新发展的出路。

②电子芯片尺寸降到极致时会出现[功耗墙]难题。

虽然国内外学术界和工业界进行了大量努力，但由于CMOS半导体功耗密度已接近极限，所以必须寻找新途径、新结构、新材料。

③电子芯片性能提升的同时，性价比在降低。

电子是费米子，是有质量的物质，所以在传输信号时会因为质量的惯性产生较多的能量损耗；

光是玻色子，是物质之间的相互作用力，静止质量为零，传输信号时能量损耗小。

④光子芯片彻底改变了数据密集型技术。

这些激光供电设备可以单独或与传统电子电路配合使用，以光速发送和处理信息，使其成为人工智能数据饥渴应用的有前途的解决方案。

⑤光子芯片不会像电子芯片那样必须使用极紫外光刻机（EUV）等极高端的光刻机。

⑥光的矩阵乘法并行能力要远强于电子芯片、延时远远低于电芯片，更适合AI大数据的线性运算需求。

从数据来看，光子芯片的计算速度较电子芯片快约1000倍。

目前硅光芯片实现可能更大

光子芯片的概念有两种，一种是光量子芯片，一种是硅光芯片，目前更多是指的硅光芯片。

近年来随着技术的发展，包括硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种材料体系已被用于研发单片集成或混合集成的光子芯片。

目前纯光子器件已能作为独立的功能模块使用，但是，由于光子本身难以灵活控制光路开关，也不能作为类似微电子器件的存储单元，纯光子器件自身难以实现完整的信息处理功能。

因此，依然需借助电子器件实现。

因此，完美意义上的纯[光子芯片]仍处于概念阶段，尚未形成可实用的系统。

光子芯片需要与成熟的电子芯片技术融合，运用电子芯片先进的制造工艺及模块化技术，结合光子和电子优势的硅光技术将是未来的主流形态。

硅光芯片作为一种底层的硬件支持，采用的是光电混合结构。

首先会加载到数字电芯片上面，数字电芯片会把这些指令和交互点做一个切分和分解，它只需要在编译器和底层驱动上添加一些新的功能。

绝大部分的非线性指令、一些数据的调度指令，都是基于现有数字电芯片去做的。

从软件和生态适配的角度来讲，它能达成的能力与现有生态是一样的，但材料变了，核心传输模式变了。

它用光来传输数据，光子芯片的材料更多是InP、GaAS等二代化合物，而集成电路一般采用硅片。

根据光网络市场分析机构Yole数据显示，2021年全球光模块市场规模约为104亿美元，预计2027年将增长至247亿美元，其年复合增长率达15%。

硅光技术提供商宏芯科技宣布正式推出基于自研硅光芯片的数据中心光互连应用400G硅光模块，其中400G DR4已达到量产。

该系列的400GDR4和400G FR4两款产品将以低成本、低功耗等优势助力数据中心光网络升级发展。

宏芯科技已经成长为国内具有硅光[芯片研发-模块研发-模块制造]全链条技术能力的科技公司。

芯片由电到光，国产突破的重要技术路线

不同于电子芯片侧重光刻环节，而光子芯片侧重外延设计与制备环节，而非光刻环节，不再依赖先进工艺。

这也决定了光子芯片行业中，IDM模式是主流。

而恰好国产光芯片典型玩家均选择了IDM模式，如仕佳光子、长光华芯、源杰科技。

据Gartner预测，到2025年全球光子芯片市场规模有望达561亿美元。

目前来看，全球市场中，高意集团（II-VI）、Lumentum等占据领先地位，长光华芯、源杰科技等本土企业已在高功率激光芯片、高速率激光芯片等领域取得进展。

去年9月中旬有消息传出，台积电已与英伟达合作硅光子集成研发项目，前者将在图形硬件上使用COUPE硅光子芯片异构集成技术。

产业尚未打开远期成长天花板

目前的光子芯片产业发展中依然没有摆脱在设计和应用领域规模较大，而在设备、制造、封测等基础领域实力弱小的局面。

至今，我国尚没有一家专业的光子芯片代工企业，国内光子芯片行业尚未形成成熟的设计、代工、封测产业链。

华泰证券指出，未来我国光子芯片厂商成长路径有望经历两个阶段：

①在细分领域凭借自身技术实力，绑定优质客户，推进本土化进程。

②产品品类横向扩张，打开远期成长天花板。

随着国内相关技术的快速发展，中外差距正日益缩小，且我国在局部已具有领先优势。

结尾：

光芯片对比电子芯片，类似于从燃油车发动机、变速箱到电动车电机、电池到电控的一种变革，存在替代EUV光刻机的一种新的可能性。

光子对电子并不是替代关系，准确地讲光子产业是对电子产业的升级，能够催生新的产业。

部分资料参考：

新华社新媒体：《以科技革命的战略眼光布局光子芯片播》，36氪：《国产光子芯片成为另一种可能》，半导体行业观察：《硅光芯片：如何决胜后摩尔时代的新赛道》，钛媒体：《科学家用光子芯片[点亮]量子计算》，科创板日报：《不依赖极高端光刻机 国内首条多材料光子芯片产线即将建成》