作者：丰宁
1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出摩尔定律，预测每隔18个月到24个月，芯片的晶体管密度就会增加一倍。然而，以硅为基础的电子芯片发展了几十年后，承载能力已经逼近物理理论的极限。
光子芯片的出现，被看作突破摩尔定律的重要途径之一。
近日，香港城市大学副教授王骋团队与香港中文大学研究人员合作，利用铌酸锂为平台，开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可运用光学进行超快模拟电子信号处理及运算。
相关研究成果在2月29日发表于《自然》。据悉，集成铌酸锂微波光子芯片不仅速度比传统电子处理器快1000倍，且具有超宽处理带宽和极高的计算精确度，能耗也更低。
如今光子芯片这一概念已经不再陌生，关于光子芯片领域的新技术也频频涌现。比如2022年12月，上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系邹卫文教授团队就提出了光子学与计算科学交叉的创新思路，研制了实现高速张量卷积运算的新型光子张量处理芯片，相关成果以“基于集成光子芯片的高阶张量流式处理”为题发表在《自然》期刊上。
此外，中国科研人员在光子集成电路、光子晶体管、光计算等方面也取得了重要突破。这些成果不仅展示了中国在光子芯片技术方面的实力，也为全球光子芯片产业的发展做出了重要贡献。
近10年来，光子技术已经成为新一代信息技术、人工智能、智能汽车、医药健康等下一个应用领域关注的焦点，也被相关国家视为保持国际市场先进地位的关键技术之一。
光子技术为什么如此受重视？半导体产业纵横带领大家一探究竟！
光子技术为何备受青睐？
光子芯片简单说就是利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的芯片。光子芯片在当下时代备受追捧主要得益于其两方面的优势：其一为性能优势；其二则是制造优势。
优势一：高计算速度、低功耗、低时延
相比传统的电子芯片，光子芯片有很多优势，主要表现为高速率和低功耗。光信号以光速传输，速度得到巨大提升；理想状态下，光子芯片的计算速度比电子芯片快约1000倍。光子计算消耗能量少，光计算功耗有望低至每比特10—18焦耳（10—18J/bit），相同功耗下，光子器件比电子器件快数百倍。
另外，光具有天然的并行处理能力以及成熟的波分复用技术，从而使光子芯片的数据处理能力、容量及带宽均大幅度提升；光波的频率、波长、偏振态和相位等信息可以代表不同的数据，且光路在交叉传输时互不干扰。这些特性使得光子擅长做并行运算，与多数计算过程花在“矩阵乘法”上的人工神经网络相契合。
总体而言，光子芯片具有高计算速度、低功耗、低时延等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响。
优势二：制程要求不高
与集成电路芯片不同，光芯片对制程要求相对不高，外延设计及制造才是技术门槛最高的核心部分。光的技术路线具有高速度、低能耗、抗串扰等优势，可以替代电做的很多事情。
中科鑫通微电子技术（北京）有限公司总裁隋军曾表示“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，使用我国已经相对成熟的原材料和设备就能生产。”
替代电子芯片？
说到光子芯片是否会替代电子芯片，我们首先要了解的便是电子芯片当下正在面临的瓶颈。
电子芯片正在面临的第一个困扰便是摩尔定律的限制。在过去近50年里，晶体管的密度可以每18-20个月翻一倍，但从物理的角度来讲，一个原子的大小就有接近0.3个纳米，当半导体制程达到3纳米后，已经非常接近物理极限，所以要复刻过去的每18-20个月翻一倍几乎没有可能。
第二个困扰是功耗与发热的问题。2015年以后，随着晶体管越来越小，晶体管上的隧穿现象越来越严重，所以即使能把晶体管做得更小，单个晶体管在进行运算时的功耗也没办法进一步降低，片上的热无法更有效散发出去，限制了算力的提高。
第三个是存力与算力的不足。过去几十年中处理器的性能以每年约55%的速度提升，而内存性能的提升速度约为每年10%，长期累积下来，不平衡的发展速度造成了当前内存的存取速度严重滞后于处理器的计算速度，访存瓶颈导致高性能处理器难以发挥出应有的功效。简单来讲，就是大量信息存储不过来、计算不过来。
第四点则是性价比。业界普遍认为，28纳米是芯片性价比最高的尺寸。根据SEMI国际半导体产业协会的芯片主流设计成本模型图，采用FinFET工艺的5纳米芯片设计成本已是28纳米工艺设计成本的近8倍，更复杂的GAA结构的设计成本只会更高，这仅是芯片设计、制造、封装、测试中的设计环节。制造环节的晶圆代工厂的研发、建厂、购买生产设备耗费的资金会更多，比如三星在美国得克萨斯州计划新建的5纳米晶圆厂预计投资高达170亿美元。
以上种种信息都在表明，在某些情况下，电子芯片已经不再适用，注意这里所说的是“某些情况下”。因为目前在芯片领域，电子芯片仍占据主导地位，特别是存储领域，仍是电存储芯片的天下，光存储还未实现量产突破。在传输相关领域，如光通讯上，光子芯片已经被大量使用，占主要地位。在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成的结合，还需要很长一段时间逐步替代，才能实现全光计算。
从产业发展角度来看，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。
光子芯片是人工智能的基石
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。
在信息获取方面，激光雷达、光传感将在人工智能、自动驾驶、物联网等领域形成新的应用场景。
在信息传输方面，形成了5G、光通信、量子通信等为代表的应用场景，产业规模巨大。
在信息处理方面，形成了光子计算、量子计算等应用场景，未来将大幅度提升计算机性能。
在信息存储方面，5D激光存储、光收发模块等将形成云计算与大数据中心等新的应用场景。
在信息显示方面，将形成VR、AR及microLED等新的信息显示应用场景。
此外，光子芯片在生命健康、超导材料以及国防装备等方面，将形成神经光子学、免疫分析、高超音速武器等新的重大应用场景。
如果说信息时代的基础设施是电子芯片，那么人工智能时代将更多地依托光子芯片。
布局光子芯片，各国均在路上
早在20世纪80年代，美日欧等发达国家就开始投入布局光子技术和产业。
当前光子芯片发展正处于类似于当年大规模集成电路发展初期的关键节点，即将迎来产业的一次大爆发。
从市场格局来看，美国是硅光子领域起步最早也是发展最好的国家，1991年美国便成立了“美国光电子产业振兴会”，以引导资本和各方力量进入光电子领域。2014年，美国又建立了“国家光子计划”产业联盟，明确将支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发。
欧洲和日本也在跟进，欧盟将光子技术纳入“地平线2020”、“（ECSEL JU）年度战略计划”等国家战略；日韩则加大对光子技术的研发和支持，以保持其行业领先的地位。
中国大概在2010年以后开始入局光芯片赛道。目前，中国本土的高功率激光芯片、部分高速率激光芯片（10G、25G等）等已处于国产化加速突破阶段，而光探测芯片、25G以上高速率激光芯片刚刚起步，本土化还有较长的路要走。
厂商方面，中国本土光芯片企业主要关注工业/国防等高功率应用，这也是它们主要的营收来源，因此，在高功率激光芯片方面，本土企业具备与II-VI、Lumentum等国际大厂进行竞争的能力。但在光通信、消费类应用领域，与国际大厂差距较大，是下一步努力的重点。光通信市场空间广阔，同时，光通信、VCSEL等光芯片制造工艺与高功率激光芯片工艺复用程度较高，中国本土企业可以基于自身技术积累切入。
在高功率激光芯片方面，美国和欧洲在高功率激光芯片方面的产业化起步较早，技术上具备领先优势，传统巨头包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。不过随着中国本土激光芯片技术不断突破，相关产业处于快速发展期，主要厂商包括长光华芯、武汉锐晶、华光光电、度亘激光、深圳瑞波等。
在光探测芯片方面，First-sensor、滨松、Kyosemi、安森美、滨松、博通等公司把握关键的技术方案。中国本土企业在光探测芯片领域的市占率较低，主要原因在于没有完整的生产加工体系。主要公司有光迅科技、光森电子、三安光电、灵明光子、阜时科技等。
在VCSEL方面，国际大厂Lumentum、II-IV凭借技术优势主导VCSEL芯片市场，据Yole统计，Lumentum、II-IV两家公司在2021年的市场合计份额超过80%。中国本土传感应用类VCSEL芯片企业主要包括长光华芯、纵慧芯光、睿熙科技、柠檬光子、博升光电、瑞识科技等，大多数是创业型公司，VCSEL芯片量产能力有限，与国际大厂之间还有明显差距。不过，凭借后发优势，这些中国本土企业正在努力赶上国际先进技术和产品发展脚步。
在硅光芯片方面，全球硅光技术及产业化领先的玩家主要包括英特尔、思科和Inphi，近些年，思科、华为、Ciena、Juniper等知名企业纷纷通过收购来布局硅光技术，Marvell、思科、诺基亚等斥资百亿美元先后收购 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光领域的创新企业。英特尔和台积电都在大力开发硅光子制造工艺技术，已经形成较为完整的硅光芯片产业链。
在高速通信、量子计算领域大放光彩
高速通信是光子芯片领域的重要应用之一。与传统的电信号相比，光信号传输具有更高的速度、更大的容量和更低的能耗。光子芯片利用光的传输特性，能够实现高速的光信号传输，为现代通信技术的发展提供了强有力的支持。
在中国的高速通信网络建设中，光子芯片被广泛应用于光纤传输系统、光子交换机、光放大器等关键设备中，使得通信网络的传输速度和带宽得到了显著提升。例如，中国在全球首次实现了1 Tb/s的高速光通信传输，在海底光纤通信网络中也取得了重大突破。这些成果不仅推动了中国通信产业的快速发展，也在全球范围内引起了极大的关注。
光子芯片在量子计算领域也展现出巨大的应用潜力。量子计算作为一种新型的计算模式，利用量子力学的特性进行计算，有着比传统计算机更高的计算效率和更强的计算能力。而光子芯片正是实现量子计算的关键技术之一。中国在光子芯片的研究中取得的重要突破，为量子计算的实现提供了新的可能。
中国科学家在单光子处理、量子纠缠等关键领域取得了重要进展，为光量子计算的实际应用奠定了基础。目前，中国已经建成了世界上第一台光量子计算机，并在相关的理论与算法研究上取得了国际领先地位。这些成果不仅对于我国科技实力的提升至关重要，也对于全球量子计算技术的发展具有重要的推动作用。
哪里将成为中国的“光子之城”？
中国的一些城市在光子芯片领域已经展现出了强大的潜力和实力。
由中国科学院西安分院、陕西省科学院和西安高新技术产业开发区管理委员会指导和支持，陕西光子创新中心、西科控股、中科创星、硬科技智库（西安市中科硬科技创新研究院）和光电子先导院联合编写的《光子时代：光子产业发展白皮书》中详细展示了武汉、西安、苏州、无锡四座城市在光子产业方面的体系化布局及优势分析。
《白皮书》显示，西安为国家布局的四个“双中心”城市之一和西北地区唯一的国家中心城市，目前其光子产业集群已初具规模，初步形成了光子制造、光子信息、光子传感等产业集群，在特定关键核心技术等方面拥有较强的领先优势。与此同时，200余家光子技术企业集聚西安，培育孵化了炬光科技、莱特光电、中科微精、奇芯光电等一批国内光子领先企业。预计到2023年，西安将实现千亿级产业规模目标。
武汉是全国较早进行光电子产业基地规划和布局的城市，是我国光子产业的领跑先锋和产业高地。武汉以“中国光谷”建设为引领，加快光子产业布局，光子产业主体总量突破19.1万户，建成了全球最大的光纤光缆产业基地，销量全球第一，光器件研发生产全国第一，通信系统设备研发位居全球第一方阵，未来将打造以光电子信息技术为基础、未来产业与经济社会深度融合的“世界光谷”。
苏州被称为“中国光电缆之都”，形成了国内最为完整的光通信产业链和最具影响力的产业集群，在全国乃至国际上树起了苏州光通信的整体区域品牌。苏州将光子产业定为全市“1号产业工程”，出台“高光20条”，加速抢占光子产业“制高点”，拥有一批光子领域高企（高成长企业）、瞪羚（指创业后跨过死亡谷，以科技创新或商业模式创新为支撑进入高成长期的中小企业）、独角兽培育企业，其中，光子领域国家级高企数量达142家，形成了完善的企业梯次发展方阵。
无锡是我国较早布局半导体产业的地区之一，被称为中国集成电路产业人才的“黄埔军校”。《白皮书》显示，2022年，无锡半导体产业规模居全国第二，其中封装测试和配套支撑位居全国第一，在光子芯片逐渐成为未来产业不可或缺的重要产品后，无锡紧抓新机遇，加快布局光子产业，出台“新光18条”，围绕硅光产业领域，打造光子芯片中试线，并在产业链上中下游积累了一批重大平台和龙头企业，同时积极向光传感、光计算、光通信等其他应用领域延伸。
除了上述几家城市，北京作为中国首都和科技创新中心，拥有众多高校和研究机构，以及一批优秀的科技企业，为光子芯片的研发和产业化提供了良好的环境和资源。上海作为中国最大的城市之一和经济中心，也在光子芯片领域进行了大量的投入和研发，并已经取得了一定的成果。
然而，要成为真正的“光子芯片之城”，这些城市还需要在技术研发、人才培养、政策支持等方面做出更多的努力。同时，也需要考虑光子芯片产业的全球竞争态势，积极参与国际合作，推动光子芯片产业的全球发展。
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