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光(guang)子與光(guang)子芯片

光(guang)子(zi)學(xue)是與電子(zi)學(xue)平行(xing)的科(ke)學(xue)。科(ke)學(xue)家普遍認(ren)為，光(guang)子(zi)可以像電子(zi)一樣作(zuo)為信息(xi)載體來生(sheng)成、處理、傳輸(shu)信息(xi)。

與(yu)電子相比(bi)，光子作為信(xin)息載體具有(you)先天的優勢：超高速(su)度、超強的并行性、超高帶(dai)寬(kuan)、超低損耗。

光(guang)子(zi)能(neng)夠對(dui)現有(you)的電子(zi)芯(xin)片(pian)性能(neng)進行大幅度提升，解決(jue)電子(zi)芯(xin)片(pian)解決(jue)不了的功(gong)耗、訪存能(neng)力和計算機整體(ti)性能(neng)等難題。

更為重要的(de)是，過去電子芯片(pian)(pian)主要應用(yong)于計算和(he)存(cun)(cun)儲(chu)領(ling)域，而光子芯片(pian)(pian)可以在信(xin)(xin)息(xi)獲取、信(xin)(xin)息(xi)傳輸、信(xin)(xin)息(xi)處理(li)、信(xin)(xin)息(xi)存(cun)(cun)儲(chu)及信(xin)(xin)息(xi)顯示等領(ling)域催生眾多新(xin)的(de)應用(yong)場景。

根據底層的科(ke)學邏輯可以(yi)判(pan)斷，人類一定(ding)會進入微光(guang)子(zi)學時代，利用(yong)微光(guang)子(zi)技術進行元器件的大規模集成必定(ding)會實現。

電(dian)子(zi)芯片是利用電(dian)子(zi)來生成(cheng)、處理和傳輸信息的(de)，光子(zi)芯片則(ze)是利用光子(zi)來生成(cheng)、處理、傳輸并顯示信息的(de)。

光(guang)子芯片是未來新一(yi)代信(xin)息產業的基(ji)礎設(she)施和核心(xin)支撐。

替(ti)代電子芯片的趨勢

①以(yi)電子(zi)為載體的技術發展已趨近物理(li)極限。

當下集成(cheng)電(dian)路(lu)是以硅為(wei)基礎材料的，硅原子(zi)的直徑約為(wei)0.22納(na)米，當制(zhi)(zhi)程降至(zhi)7納(na)米以下時，極易出現電(dian)涌和電(dian)子(zi)擊穿(chuan)問題，也就是已經(jing)很(hen)難完美地控制(zhi)(zhi)電(dian)子(zi)了(le)。

業內人(ren)士(shi)普遍認為集成電路(lu)的尺寸微(wei)縮最多到2030年就會(hui)達到物(wu)理極限(xian)，亟需尋找創新發展的出(chu)路(lu)。

②電子芯片尺寸降到極致時會(hui)出現[功耗墻]難題。

雖(sui)然(ran)國內外學術(shu)界和工業(ye)界進行了大量努力，但(dan)由于CMOS半導體功耗(hao)密度已接近極限，所以必須尋找新(xin)途徑、新(xin)結(jie)構(gou)、新(xin)材料。

③電子芯片(pian)性能提升(sheng)的同時，性價比在降(jiang)低(di)。

電子是(shi)(shi)費(fei)米子，是(shi)(shi)有質(zhi)量(liang)的(de)物質(zhi)，所以在傳輸信號時會因為質(zhi)量(liang)的(de)慣性產生(sheng)較多的(de)能量(liang)損耗；

光是玻色子，是物質之間的相互作(zuo)用力，靜止質量為零，傳(chuan)輸信號時(shi)能量損耗小。

④光子芯片(pian)徹底改變了數據密(mi)集型技術。

這(zhe)些激光(guang)供電設備(bei)可以單(dan)獨或與傳統電子電路配合使(shi)用，以光(guang)速發送和處(chu)理(li)信息(xi)，使(shi)其成為人工智能數據饑渴應(ying)用的有(you)前途的解(jie)決方案。

⑤光(guang)子芯片不會像電(dian)子芯片那(nei)樣必須使用(yong)極紫(zi)外光(guang)刻機（EUV）等(deng)極高(gao)端的光(guang)刻機。

⑥光的矩陣乘法并行能力要(yao)遠強于(yu)電子芯(xin)片、延時遠遠低于(yu)電芯(xin)片，更適合AI大數(shu)據的線(xian)性運算(suan)需求。

從數據來看(kan)，光子(zi)芯(xin)片的(de)計算速度較(jiao)電子(zi)芯(xin)片快約1000倍。

目(mu)前硅光芯(xin)片(pian)實現(xian)可能更(geng)大(da)

光子芯(xin)片的(de)概念有兩種，一種是(shi)光量子芯(xin)片，一種是(shi)硅光芯(xin)片，目(mu)前更多(duo)是(shi)指(zhi)的(de)硅光芯(xin)片。

近(jin)年來隨著技術的發展，包(bao)括硅(gui)、氮化硅(gui)、磷化銦、III-V族化合(he)(he)物、鈮酸鋰、聚合(he)(he)物等(deng)多種材料(liao)體系已被用于研發單(dan)片集成或(huo)混合(he)(he)集成的光子芯片。

目前(qian)純光子(zi)器件已(yi)能(neng)作為(wei)獨立(li)的功(gong)能(neng)模塊使(shi)用(yong)，但是，由于光子(zi)本身難以靈(ling)活控(kong)制(zhi)光路開(kai)關，也不能(neng)作為(wei)類似微(wei)電子(zi)器件的存儲單(dan)元，純光子(zi)器件自身難以實(shi)現完整的信息處理功(gong)能(neng)。

因此，依然需借助電子(zi)器件實現。

因此，完美意義上的(de)純[光子芯(xin)片]仍處于(yu)概(gai)念階段，尚未(wei)形成可實(shi)用的(de)系統。

光子芯(xin)片(pian)(pian)需要與成熟的電(dian)子芯(xin)片(pian)(pian)技術融合，運用電(dian)子芯(xin)片(pian)(pian)先進的制造工(gong)藝及模(mo)塊(kuai)化技術，結合光子和電(dian)子優勢的硅光技術將是未來(lai)的主流形態。

硅光(guang)芯片作為(wei)一種底層的(de)硬件支持，采用(yong)的(de)是光(guang)電(dian)混合結構。

首先會(hui)加載到數字(zi)電芯(xin)片(pian)上(shang)面，數字(zi)電芯(xin)片(pian)會(hui)把這些(xie)指令(ling)和交互(hu)點做一(yi)個切分和分解，它只需要在編譯器(qi)和底(di)層(ceng)驅動上(shang)添加一(yi)些(xie)新的(de)功(gong)能。

絕大部分的非線性指(zhi)令、一些(xie)數據的調度指(zhi)令，都(dou)是基于現有(you)數字電芯片去做(zuo)的。

從軟件和生態適配的(de)角(jiao)度來講，它能達成(cheng)的(de)能力與現有(you)生態是(shi)一樣(yang)的(de)，但(dan)材料變了(le)，核心(xin)傳輸模式變了(le)。

它用光來(lai)傳輸(shu)數據，光子芯(xin)片(pian)的(de)材料更多是(shi)InP、GaAS等(deng)二代化合物，而集成電路一般采(cai)用硅片(pian)。

根據光網絡市場分析(xi)機構Yole數據顯示(shi)，2021年(nian)全球光模塊市場規模約為(wei)104億美元(yuan)，預計2027年(nian)將增(zeng)長至247億美元(yuan)，其(qi)年(nian)復合(he)增(zeng)長率(lv)達15%。

硅(gui)光(guang)(guang)技術提供商(shang)宏芯科技宣布正(zheng)式推出(chu)基于自研硅(gui)光(guang)(guang)芯片(pian)的數據中(zhong)心光(guang)(guang)互連應用400G硅(gui)光(guang)(guang)模(mo)塊，其(qi)中(zhong)400GDR4已達到量產。

該系列的400GDR4和400GFR4兩(liang)款產品將以低(di)(di)成本、低(di)(di)功耗等優勢助力數據中心光網絡(luo)升級發展。

宏芯(xin)科技已經成長為國(guo)內具(ju)有硅光[芯(xin)片(pian)研(yan)發-模塊研(yan)發-模塊制造]全鏈條技術能力的科技公司(si)。

芯片由(you)電到(dao)光，國產突破的重要技術路線(xian)

不同于(yu)電子(zi)(zi)芯片(pian)側重光刻環(huan)節，而(er)光子(zi)(zi)芯片(pian)側重外(wai)延(yan)設計與(yu)制備環(huan)節，而(er)非(fei)光刻環(huan)節，不再依(yi)賴先進工藝。

這也(ye)決定了光子(zi)芯片行(xing)業中，IDM模式是主流(liu)。

而恰(qia)好國產光芯片典型玩家均(jun)選擇了IDM模式，如(ru)仕佳光子、長(chang)光華(hua)芯、源(yuan)杰(jie)科技。

據Gartner預測，到(dao)2025年(nian)全球光子芯片市場規模有望達561億美(mei)元。

目前(qian)來看，全球(qiu)市場(chang)中，高(gao)意集團（II-VI）、Lumentum等占據領(ling)先(xian)地(di)位，長光華芯(xin)(xin)、源杰科技等本土企業(ye)已在高(gao)功率(lv)激光芯(xin)(xin)片(pian)、高(gao)速率(lv)激光芯(xin)(xin)片(pian)等領(ling)域取得(de)進展。

去年(nian)9月(yue)中旬有消息(xi)傳(chuan)出，臺積電已與英(ying)偉達合作硅光(guang)子集(ji)成(cheng)研發項目，前者將在圖形硬件上使用(yong)COUPE硅光(guang)子芯片異(yi)構集(ji)成(cheng)技術。

產(chan)業(ye)尚未打開遠期成(cheng)長天花板

目前的光(guang)子芯片產業(ye)發展中依然沒有(you)擺脫在設(she)計(ji)和應用領域(yu)規模較大，而在設(she)備、制造、封測等基礎領域(yu)實力弱小的局面。

至今，我國(guo)尚沒有一家專業(ye)的(de)(de)光(guang)(guang)子芯片(pian)(pian)代(dai)工(gong)企業(ye)，國(guo)內光(guang)(guang)子芯片(pian)(pian)行業(ye)尚未(wei)形成成熟的(de)(de)設計、代(dai)工(gong)、封(feng)測產業(ye)鏈。

華泰證*指(zhi)出(chu)，未來我國光子(zi)芯(xin)片廠(chang)商成(cheng)長路徑有(you)望(wang)經歷兩(liang)個階段：

①在細(xi)分領域(yu)憑借自身技(ji)術實力，綁(bang)定優質客(ke)戶，推進本土化進程。

②產品(pin)品(pin)類橫向擴張，打開遠(yuan)期成長天花板。

隨著國內相關技術的快速發展，中外差距正(zheng)日(ri)益縮小，且我(wo)國在局部(bu)已(yi)具有領先優勢。

結尾

光芯片對比電子芯片，類似于(yu)從(cong)燃油車(che)發動(dong)機、變速箱到電動(dong)車(che)電機、電池(chi)到電控的一(yi)種(zhong)(zhong)變革，存(cun)在(zai)替代EUV光刻機的一(yi)種(zhong)(zhong)新的可能性。

光子(zi)(zi)對(dui)電子(zi)(zi)并不是替代關系，準確地講(jiang)光子(zi)(zi)產(chan)業是對(dui)電子(zi)(zi)產(chan)業的升(sheng)級，能夠催生新(xin)的產(chan)業。