日前據(jù)北京日報消息稱，國內(nèi)首條“多材料、跨尺寸”的光子芯片生產(chǎn)線已在籌備，預計將于2023年在京建成，可滿足通信、數(shù)據(jù)中心、激光雷達、微波光子、醫(yī)療檢測等領(lǐng)域需求，有望填補我國在光子芯片晶圓代工領(lǐng)域的空白。

據(jù)報道，光子芯片計算速度快，是電子芯片的1000倍，更重要的是，光子芯片不需要光刻機，使用中國已有的原材料和設(shè)備就可以生產(chǎn)。

問題來了，擺脫EUV光刻機限制，光子芯片能不能成？

光子芯片的變革之處

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。

從技術(shù)層面來看，光子芯片與集成電路芯片相比存在多處不同。從原理層面，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。

它帶來的變革之處在哪里？

首先是光子芯片有望突圍電子芯片的摩爾定律瓶頸。

在過去近50年里，晶體管的密度可以每18-20個月翻一倍，從物理的角度來講，當半導體制程達到3納米后，已經(jīng)非常接近物理極限。這也限制了底層的算力發(fā)展。

數(shù)據(jù)顯示，今天最大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型大概是2012年的15-30萬倍左右，并且還在持續(xù)增長，但是有明顯受制于算力底層限制的趨勢，換言之，底層算力制約了人工智能的進一步發(fā)展。

而光子芯片被認為是適合解決電子芯片困境的底層技術(shù)。從制備而言，光子芯片的制備流程與集成電路芯片有相似之處，要在系統(tǒng)中發(fā)揮作用，也離不開電芯片。二者與 PCB、結(jié)構(gòu)件、套管進一步構(gòu)成光器件，并以此為基礎(chǔ)加工為光模塊實現(xiàn)最終功能。

根據(jù)行業(yè)技術(shù)人員的說法是，硅光芯片作為一種底層的硬件支持，采用的是光電混合結(jié)構(gòu)，和軟件相關(guān)的都是數(shù)字芯片，所有的指令、編譯、軟件，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(qū)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(diào)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。有數(shù)據(jù)顯示，從物料成本來看，光芯片約占中端光模塊物料成本的 40%，一些高端光模塊中它的物料成本甚至能占到 50% 以上。

類似于電動車的發(fā)動機和能源系統(tǒng)用的是電池，燃油車用的是汽油。

而光子芯片在通信領(lǐng)域、數(shù)字搬運層面有更好的優(yōu)勢；其次，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，并且光在傳播的時候避免了發(fā)熱，降低了功耗，因此帶來了更好的性能，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。

相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光子集成電路與光互連展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲、以及更強的抗電磁干擾能力。

不同于電子芯片側(cè)重光刻環(huán)節(jié)，而光子芯片側(cè)重外延設(shè)計與制備環(huán)節(jié)，而非光刻環(huán)節(jié)，不再依賴先進工藝。這也決定了光子芯片行業(yè)中，IDM模式是主流，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。

IDM 模式的好處是能夠靈活調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各種工藝參數(shù)；高效排查產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、測試等環(huán)節(jié)的問題。目前IDM 模式下，國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)自主可控。

從這個角度來看，光子芯片是一種不同的東西，類似一種光學材料革命，制造的原材料與技術(shù)路徑已經(jīng)變了，光子芯片使用我國已相對成熟的原材料及設(shè)備就能生產(chǎn)，而電子芯片尤其是高端芯片就必須使用EUV高端光刻機。

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。

突圍光刻機的另一種可能性：光芯片一個長周期的研發(fā)過程

盡管如此，對于光子芯片而言，生產(chǎn)制造是難點。它需要相當成熟的設(shè)計流程與生產(chǎn)工藝，它的工序難點涉及到MOCVD 外延生長、光柵工藝、光波導制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動化芯片測試、可靠性測試驗證等環(huán)節(jié)，其中，外延工藝是光芯片生產(chǎn)中最主要和最高技術(shù)門檻的環(huán)節(jié)，還需要更多時間去打磨上下游產(chǎn)業(yè)鏈。

此外，要在軟硬件方面兼容現(xiàn)有的生態(tài)，包括和一線晶圓廠、封裝廠建立長期的研發(fā)融合合作，把上下游供應(yīng)鏈做到成熟，不能有明顯的短板。這個時間，不是一年、兩年之內(nèi)就能完成。畢竟，國內(nèi)在光電芯片設(shè)計工具、基礎(chǔ)工藝和制造裝備等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)方面配套能力還存在不足。

在中科鑫通總裁隋軍看來，國內(nèi)企業(yè)在集成電路方面仍處于補短板的階段。目前的光子芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展中依然沒有擺脫在設(shè)計和應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模較大，而在設(shè)備、制造、封測等基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嵙θ跣〉木置妗?/span>

但由于光子芯片產(chǎn)業(yè)處于前期發(fā)展階段，全球面臨的局面是一樣的，技術(shù)壁壘還沒形成，國內(nèi)還有足夠的時間去完善基礎(chǔ)領(lǐng)域的供應(yīng)鏈。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，光子芯片對電子芯片其實并非替代關(guān)系，而是融合關(guān)系，通過一種全新的材料革命，對原有電子產(chǎn)業(yè)進行升級，是實現(xiàn)突破摩爾定律限制的一項技術(shù)，它有望帶動新的產(chǎn)業(yè)，規(guī)模型發(fā)展是大勢所趨。也因為如此，芯片由“電”到“光”的轉(zhuǎn)換，是國產(chǎn)芯片實現(xiàn)突破的另一種新的技術(shù)路線。

一直以來，中國芯片發(fā)展一直受制于歐美國家，不過，歐美制裁的是電子芯片，但從目前來看，國內(nèi)并不是沿著電子芯片原有的路徑去突破，而是通過材料技術(shù)革命，轉(zhuǎn)向了其他方向，就好比在燃油車時代，日本歐美在發(fā)動機、變速箱上建立了很高的壁壘，但中國轉(zhuǎn)向了電動車方向突破。

如今，光子芯片只是其中的突破口之一。其他的突破口還包括石墨烯芯片、Chiplet技術(shù)等，也就是說，還存在B計劃與C計劃。

如果光子芯片的路子能夠走通，就意味著光刻機的核心壁壘就已經(jīng)繞過去了，作為實現(xiàn)不同的路徑，電子芯片也卡不住了。

目前國內(nèi)針對光子集成技術(shù)也實施了一系列重大研究計劃，在光子集成技術(shù)方面有一定的成就。

比如根據(jù)新華社早前報道，目前世界上最高的光子集成規(guī)模為2014年實現(xiàn)的單片集成超過1700個功能器件。我國2016年啟動的B類先導專項——大規(guī)模光子集成芯片致力于開發(fā)集成器件大于2000的大規(guī)模光子集成芯片，并最終實現(xiàn)了15408個器件的大規(guī)模集成，集成規(guī)模世界領(lǐng)先。

此外，在光子芯片設(shè)計水平方面，我國也處于世界一流水平，比如最新的單個芯片可集成12000個光子元器件，一些算法的實測性能已超過國外。自從中國研究出全球首款光子芯片以來，光子芯片技術(shù)已具備一定的領(lǐng)先優(yōu)勢。

光子芯片符合芯片產(chǎn)業(yè)的升級邏輯

光子芯片的路徑如果能夠跑通，可能會引發(fā)全球范圍內(nèi)的相關(guān)公司在這一市場產(chǎn)業(yè)去爭奪話語權(quán)，事實上，當前英偉達已經(jīng)下場開發(fā)硅光子集成研發(fā)項目，在圖形硬件上使用COUPE硅光子芯片異構(gòu)集成技術(shù)。

從這個意義來看，原有以光刻機為核心的電子芯片基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)可能正在迎來變局。

尤其是從目前的行業(yè)動向與變局來看，許多國家也在試圖尋找光刻機替代方案，比如日本NIL量產(chǎn)技術(shù)、英特爾的新3D堆疊、多芯片封裝技術(shù)以及俄羅斯的X光的光刻機技術(shù)。一旦替代EUV光刻機成為一股暗潮，芯片產(chǎn)業(yè)遲早會逐步走入一條新的技術(shù)路線。

從目前來看，光子芯片突圍的可能性更大，因為從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，電子產(chǎn)業(yè)是包含電子回路、電子集成、電子系統(tǒng)、電子工程。光子產(chǎn)業(yè)是包含光子學、光子回路、光子集成、光子系統(tǒng)、光子工程。

電子芯片更多應(yīng)用與通信領(lǐng)域，光子芯片當前已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)、消費電子、汽車、人工智能等領(lǐng)域，在人工智能領(lǐng)域，光子芯片可應(yīng)用于自動駕駛、語音識別、圖像識別、醫(yī)療診斷、虛擬現(xiàn)實等場景。

光子芯片的性能突圍其實也對應(yīng)了產(chǎn)業(yè)升級的路徑，從這個產(chǎn)業(yè)升級的底層的邏輯去判斷走向的話，電子芯片與光子芯片可能分別代表信息時代與人工智能時代的基礎(chǔ)設(shè)施，當電子芯片走入到摩爾定律的極限與頂端，技術(shù)的發(fā)展趨勢就不會沿著原有路徑一直走下去，而是會在岔路口出現(xiàn)新路。

從這個角度來看，從電子產(chǎn)業(yè)到光子學時代的發(fā)展，利用微光子技術(shù)進行元器件的大規(guī)模集成也將是一個趨勢方向之一。

從國人的期待來看，非常期待在芯片、光刻機領(lǐng)域能夠早日打破卡脖子的問題，從今天國內(nèi)各方面的進展與突破來看，未來的3~5年，光子芯片可能會有明顯的進展與突破，我們拭目以待。

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