面对集成度物理极限 光子芯片如何另辟蹊径

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。其不追求工艺尺寸的极限缩小，突破了工艺的限制，有更多的性能提升空间。

　　几十年来，英特尔联合创始人戈登·摩尔在1965年提出的摩尔定律，不仅成为计算机处理器的制造准则，某种程度上也被看作科技行业的前进预言。

　　然而，自从1958年仙童半导体公司发明集成电路后，以硅为基础的电子芯片已经发展了几十年。

　　如今，电子芯片的承载能力已经逼近了物理理论的极限。

　　光子芯片的出现，被看作突破摩尔定律的有效途径之一。

　　相比电子芯片有独特优势

　　“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。”中科创星董事总经理张思申向科技日报记者解释，相对于电子驱动的集成电路，光子芯片的独特优势十分明显。未来，无论是互联网、5G还是物联网领域，在基础设施方面都离不开光纤和光学器件。

　　据张思申介绍，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。”张思申说，光子芯片可以采用硅基半导体工艺来制造，形成光波导等无源器件。并且不追求工艺尺寸的极限缩小，突破了工艺的限制，有更多的性能提升空间。此外，光子芯片提供了全新的芯片设计架构思路，彻底颠覆原有的设计理念，有更多的设计创意空间。光子芯片可以与三五族化合物半导体形成的发光器件封装在一起来实现光电集成。未来将过渡到异质集成，实现真正的光电集成芯片。

　　人工智能时代的基础设施

　　张思申表示，光子计算芯片通常由一个电子芯片部分和光子传输部分来组成，电子芯片

负责逻辑运算，读取传输由光波导来实现。而在未来的光计算系统中，可以把光子芯片理解为电子芯片的“高速公路”，它帮助电子芯片分担包括线性计算、数据传输、内存读取等在内的这些相对耗时的操作。

　　“光子芯片是人工智能时代的基础设施，可以广泛应用于高速传输、远距离感知、人工智能计算处理领域。”张思申说。

　　他举例说明：在5G通信领域，光通信已经得到了相当广泛的应用，现在的云计算和数据中心中，已经大量采用了基于光子芯片的光收发模块，谷歌现在已经是全球最大的光器件采购商。在人工智能领域，光子芯片是一种光计算架构与人工智能算法高度匹配的芯片设计，可应用于自动驾驶、安防监控、语音识别、图像识别、医疗诊断、虚拟现实等关键人工智能领域，并已经得到了实际应用。在光计算方面，类脑光子芯片模拟人脑的计算，通过光子携带信息在模拟大脑的神经网络构架下处理数据，使芯片达到像人脑一样高速并行且低功耗的计算。包括IBM、英特尔，以及国内的一些企业和研究院所都在研发光CPU。“不过，硅基光电子产品的大规模商用还需时日，光计算市场还需要时间培育。”他坦言。

　　此外，在光感知方面，基于光子技术的激光雷达是当下的热点技术和应用方向，特别是在无人驾驶行业的应用，推动了行业的发展。在生物医药、纳米器件等的内部结构实现高分辨无损检测的新型计算显微关联成像装备中，光子芯片均可以发挥其高速并行、低功耗、微型化的优势。

　在空间激光通信领域，光子芯片是解决目前空间传输速率瓶颈问题的主要技术手段，另外还有星间互联网、6G通信、智能遥感测绘等国家战略安全和战略需求领域，而这些都是需要对大数据进行高速、低功耗、实时处理的。光子芯片在这些国家战略领域将起到非常重要的支撑作用。

　　电子芯片仍占主导地位

　　尽管光子芯片的优势明显，但张思申直言，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。“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以取代电子芯片的地位。”他说。

　　从工艺上看，光子芯片摆脱了对摩尔定律不断缩小工艺尺寸的依赖，从而降低了对先进工艺的需求，一定程度上减轻了当前芯片发展的关键问题。“实际上我们可以看到，很多实现量产的高端光子芯片来自海外，这一现状需要我们国内的光子芯片企业不断努力，提高产品性能，提高国产化率。”张思申说。

　　“如今光子计算仍处于早期阶段，最大的挑战来自于对于光计算芯片上光学器件密度的提升。在这一全新赛道上，我们虽然没有前路可以借鉴，但发展前景令人十分期待。光学计算已经在商业化道路上迈出了重要的一步，相信在未来的两三年内，我们可以看到光子计算芯片的应用，开启计算革命。”张思申说。

延伸阅读

　　布局光子芯片产业 各国均在路上

　　目前，全球多个国家出台政策，扶持光子产业发展。国外领先的半导体企业也都纷纷在光子芯片领域重金投入，以求在未来的竞争中占据主动地位。

　　2018年1月，工信部发布了中国光电子器件发展五年路线图（2018—2022），其中明确提及中国光通信器件产业目标：2022年中低端光电子芯片国产化率超过60%，高端光电子芯片的国产化率突破20%。

　　国内的华为、光迅、海信等公司都在光子芯片领域进行了布局。据张思申介绍，目前在光通讯中低端光子芯片领域我们实现自主供货，高端光子芯片也逐步走向成熟。近几年国内也出现了一些优秀的光子芯片初创公司，如陕西源杰半导体在国产激光芯片领域实现大规模量产，打破了国外垄断；曦智科技2019年4月发布了全球首款光子芯片原型板卡，并通过流片验证，计划从2021年起为AI云计算带来高效的量产产品。