“全優(yōu)”光子芯片，會是下一代處理器嗎？

光子產(chǎn)業(yè)進入爆發(fā)前期

光芯片在提升計算機運算速率上具有巨大的潛力，未來光子芯片替代微電子芯片將是大勢所趨。

［光進電退］演進至芯片內(nèi)部，光芯片與微電子芯片比較，在算力、能耗、成本、尺寸方面優(yōu)勢明顯。

從產(chǎn)業(yè)鏈來看，下游及終端客戶對上游光子器件的要求更加精密、輕薄，加工工藝更加高效、精準、復雜。

隨著下游智能手機攝像、識別模組的升級、自動駕駛技術的成熟、安防監(jiān)控攝像機的智能化到無人機的普及等，直接帶動光子器件的市場需求。

同時，隨著移動通信技術從4G到5G的發(fā)展，生物識別技術在消費電子中的應用、芯片材料的改良改進等外部技術的進步，光子產(chǎn)業(yè)將迎來了良好的發(fā)展機遇。

市場研究公司Marketsand Markets預計，到2023年，全球光子學市場的規(guī)模將從2017年的5200億美元增長到2023年的7804億美元，復合年增長率為7．0％。

市場需求增長主要是受到信息通信技術、醫(yī)療技術、生命科學、自動化視覺等領域的應用需求增長的驅(qū)動。

有望帶動產(chǎn)業(yè)進入［從電到光］

光子芯片技術有望帶動整個信息技術產(chǎn)業(yè)進入［從電到光］的轉(zhuǎn)變，并在未來光存儲、光顯示、光互聯(lián)、光計算，以及醫(yī)療衛(wèi)生和航天、國防等領域的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

目前，全球部分國家正在加緊進行科研和產(chǎn)業(yè)布局，可以預見是，未來誰能率先在光子技術上實現(xiàn)突破，誰就能搶占信息技術產(chǎn)業(yè)鏈的制高點。

2018年1月，國家工信部發(fā)布了中國光電子器件發(fā)展五年路線圖（2018－2022），其中明確提及了中國光通信器件產(chǎn)業(yè)目標：

2022年中低端光電子芯片國產(chǎn)化率超過60％，高端光電子芯片的國產(chǎn)化率突破20％；

2022年國內(nèi)企業(yè)占據(jù)全球光通信器件市場份額的30％以上，有1家企業(yè)進入全球前3名。

光子能夠?qū)ΜF(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。

由于其與CMOS工藝兼容的特點，以及量子計算的推進，谷歌、微軟等科技巨頭，還有IBM、英特爾等傳統(tǒng)芯片龍頭，都投入了大量的資金研究。

國內(nèi)已取得重要的研究進展

有國內(nèi)的光量子計算公司，已掌握自主知識產(chǎn)權(quán)的三維和超高速光子芯片核心技術與工藝，從設計、流片到封裝測試，再到系統(tǒng)集成和量子算法，實現(xiàn)了光量子計算芯片的全鏈條研發(fā)。

2020年4月29日，在山西大學光電研究所某實驗室內(nèi)，教授正在調(diào)試光電檢測設備如今的光芯片，最難的仍然是高精度的微納加工技術。

2021年7月，中國科學技術大學潘建偉院士團隊聯(lián)合浙江大學，通過研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實時后處理，發(fā)明了速率達18．8Gbps、迄今最快的實時量子隨機數(shù)發(fā)生器。

日前國內(nèi)一家公司曦智科技發(fā)布了新一代光子計算處理器PACE，1GHz頻率下某些運算的性能就是GPU的數(shù)百倍了。

芯片替代電子芯片的可能性

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(nèi)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。

電子芯片尺寸降到極致時會出現(xiàn)功耗墻難題，巨大的耗能壓力就是計算機發(fā)展的最大技術障礙之一。

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(jié)構(gòu)、新材料。

過去幾十年中處理器的性能以每年約55％的速度提升，而內(nèi)存性能的提升速度約為每年10％，簡單來講就是大量信息存儲不過來、計算不過來。

電子芯片性能提升的同時，性價比在降低。業(yè)界普遍認為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。

更復雜的GAA結(jié)構(gòu)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(huán)節(jié)。

光子芯片與電子芯片最大區(qū)別之處就是它的信號不同光子芯片，它的信號是光信號。

可以說，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，光子芯片是未來新一代信息產(chǎn)業(yè)的基礎設施和核心支撐。

光子芯片未客服的難點

目前還未形成有效的系統(tǒng)性設計方法，設計流程不固定，輔助設計工具不完善。

光子芯片制造并不容易—它內(nèi)部的器件都是三維結(jié)構(gòu)，集成要考慮的因素就變多了，同時還引入了光學相關因素，會出現(xiàn)一些不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

加工的材料也不單純是硅，還有化合物，這讓制造的復雜性進一步提升。

硅光芯片和InP類的光芯片，都涉及光的耦合，物理模型不好建立，同時制作成本也比傳統(tǒng)芯片高。

結(jié)尾：

對我國而言，既要在傳統(tǒng)賽道電子芯片領域盡快補短板，也要盡早在光子芯片等新賽道布局發(fā)力。

雙管齊下，抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機遇，努力爭取實現(xiàn)［非對稱趕超］。