日前據(jù)北京日?qǐng)?bào)消息稱，國(guó)內(nèi)首條“多材料、跨尺寸”的光子芯片生產(chǎn)線已在籌備，預(yù)計(jì)將于2023年在京建成，可滿足通信、數(shù)據(jù)中心、激光雷達(dá)、微波光子、醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域需求，有望填補(bǔ)我國(guó)在光子芯片晶圓代工領(lǐng)域的空白。

據(jù)報(bào)道，光子芯片計(jì)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(jī)，使用中國(guó)已有的原材料和設(shè)備就可以生產(chǎn)。

問(wèn)題來(lái)了，擺脫EUV光刻機(jī)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(lái)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(lái)生成、處理和傳輸信息的，光子芯片則是利用光子來(lái)生成、處理、傳輸并顯示信息的。

它帶來(lái)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(guò)去近50年里，晶體管的密度可以每18-20個(gè)月翻一倍，從物理的角度來(lái)講，當(dāng)半導(dǎo)體制程達(dá)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(wàn)倍左右，并且還在持續(xù)增長(zhǎng)，但是有明顯受制于算力底層限制的趨勢(shì)，換言之，底層算力制約了人工智能的進(jìn)一步發(fā)展。

而光子芯片被認(rèn)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(kāi)電芯片。二者與 PCB、結(jié)構(gòu)件、套管進(jìn)一步構(gòu)成光器件，并以此為基礎(chǔ)加工為光模塊實(shí)現(xiàn)最終功能。

根據(jù)行業(yè)技術(shù)人員的說(shuō)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(huì)加載到數(shù)字電芯片上面，數(shù)字電芯片會(huì)把這些指令和交互點(diǎn)做一個(gè)切分和分解，它只需要在編譯器和底層驅(qū)動(dòng)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(lái)講，它能達(dá)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(lái)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(lái)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(lèi)似于電動(dòng)車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)和能源系統(tǒng)用的是電池，燃油車(chē)用的是汽油。

而光子芯片在通信領(lǐng)域、數(shù)字搬運(yùn)層面有更好的優(yōu)勢(shì)；其次，光的矩陣乘法并行能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于電子芯片、延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電芯片，更適合AI大數(shù)據(jù)的線性運(yùn)算需求，并且光在傳播的時(shí)候避免了發(fā)熱，降低了功耗，因此帶來(lái)了更好的性能，從數(shù)據(jù)來(lái)看，光子芯片的計(jì)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(shí)間延遲、以及更強(qiáng)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(jì)與制備環(huán)節(jié)，而非光刻環(huán)節(jié)，不再依賴先進(jìn)工藝。這也決定了光子芯片行業(yè)中，IDM模式是主流，國(guó)產(chǎn)光芯片典型玩家均選擇了 IDM 模式，如仕佳光子、長(zhǎng)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(guò)程中各種工藝參數(shù)；高效排查產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試等環(huán)節(jié)的問(wèn)題。目前IDM 模式下，國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自主可控。

從這個(gè)角度來(lái)看，光子芯片是一種不同的東西，類(lèi)似一種光學(xué)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(guó)已相對(duì)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(jī)。

光芯片對(duì)比電子芯片，類(lèi)似于從燃油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱到電動(dòng)車(chē)電機(jī)、電池到電控的一種變革，存在替代EUV光刻機(jī)的一種新的可能性。

突圍光刻機(jī)的另一種可能性：光芯片一個(gè)長(zhǎng)周期的研發(fā)過(guò)程

盡管如此，對(duì)于光子芯片而言，生產(chǎn)制造是難點(diǎn)。它需要相當(dāng)成熟的設(shè)計(jì)流程與生產(chǎn)工藝，它的工序難點(diǎn)涉及到MOCVD 外延生長(zhǎng)、光柵工藝、光波導(dǎo)制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動(dòng)化芯片測(cè)試、可靠性測(cè)試驗(yàn)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(mén)檻的環(huán)節(jié)，還需要更多時(shí)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(zhǎng)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(gè)時(shí)間，不是一年、兩年之內(nèi)就能完成。畢竟，國(guó)內(nèi)在光電芯片設(shè)計(jì)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(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)在集成電路方面仍處于補(bǔ)短板的階段。目前的光子芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展中依然沒(méi)有擺脫在設(shè)計(jì)和應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模較大，而在設(shè)備、制造、封測(cè)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(méi)形成，國(guó)內(nèi)還有足夠的時(shí)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(lái)看，光子芯片對(duì)電子芯片其實(shí)并非替代關(guān)系，而是融合關(guān)系，通過(guò)一種全新的材料革命，對(duì)原有電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)行升級(jí)，是實(shí)現(xiàn)突破摩爾定律限制的一項(xiàng)技術(shù)，它有望帶動(dòng)新的產(chǎn)業(yè)，規(guī)模型發(fā)展是大勢(shì)所趨。也因?yàn)槿绱?，芯片由“電”到“光”的轉(zhuǎn)換，是國(guó)產(chǎn)芯片實(shí)現(xiàn)突破的另一種新的技術(shù)路線。

一直以來(lái)，中國(guó)芯片發(fā)展一直受制于歐美國(guó)家，不過(guò)，歐美制裁的是電子芯片，但從目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)并不是沿著電子芯片原有的路徑去突破，而是通過(guò)材料技術(shù)革命，轉(zhuǎn)向了其他方向，就好比在燃油車(chē)時(shí)代，日本歐美在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱上建立了很高的壁壘，但中國(guó)轉(zhuǎn)向了電動(dòng)車(chē)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(shuō)，還存在B計(jì)劃與C計(jì)劃。

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

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)光子集成技術(shù)也實(shí)施了一系列重大研究計(jì)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(bào)道，目前世界上最高的光子集成規(guī)模為2014年實(shí)現(xiàn)的單片集成超過(guò)1700個(gè)功能器件。我國(guó)2016年啟動(dòng)的B類(lèi)先導(dǎo)專項(xiàng)——大規(guī)模光子集成芯片致力于開(kāi)發(fā)集成器件大于2000的大規(guī)模光子集成芯片，并最終實(shí)現(xiàn)了15408個(gè)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(jì)水平方面，我國(guó)也處于世界一流水平，比如最新的單個(gè)芯片可集成12000個(gè)光子元器件，一些算法的實(shí)測(cè)性能已超過(guò)國(guó)外。自從中國(guó)研究出全球首款光子芯片以來(lái)，光子芯片技術(shù)已具備一定的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

光子芯片符合芯片產(chǎn)業(yè)的升級(jí)邏輯

光子芯片的路徑如果能夠跑通，可能會(huì)引發(fā)全球范圍內(nèi)的相關(guān)公司在這一市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)去爭(zhēng)奪話語(yǔ)權(quán)，事實(shí)上，當(dāng)前英偉達(dá)已經(jīng)下場(chǎng)開(kāi)發(fā)硅光子集成研發(fā)項(xiàng)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(gè)意義來(lái)看，原有以光刻機(jī)為核心的電子芯片基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)可能正在迎來(lái)變局。

尤其是從目前的行業(yè)動(dòng)向與變局來(lái)看，許多國(guó)家也在試圖尋找光刻機(jī)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(jī)技術(shù)。一旦替代EUV光刻機(jī)成為一股暗潮，芯片產(chǎn)業(yè)遲早會(huì)逐步走入一條新的技術(shù)路線。

從目前來(lái)看，光子芯片突圍的可能性更大，因?yàn)閺漠a(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)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(xué)、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(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)、消費(fèi)電子、汽車(chē)、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(dòng)駕駛、語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、醫(yī)療診斷、虛擬現(xiàn)實(shí)等場(chǎng)景。

光子芯片的性能突圍其實(shí)也對(duì)應(yīng)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)的路徑，從這個(gè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(shí)代與人工智能時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施，當(dāng)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(shì)就不會(huì)沿著原有路徑一直走下去，而是會(huì)在岔路口出現(xiàn)新路。

從這個(gè)角度來(lái)看，從電子產(chǎn)業(yè)到光子學(xué)時(shí)代的發(fā)展，利用微光子技術(shù)進(jìn)行元器件的大規(guī)模集成也將是一個(gè)趨勢(shì)方向之一。

從國(guó)人的期待來(lái)看，非常期待在芯片、光刻機(jī)領(lǐng)域能夠早日打破卡脖子的問(wèn)題，從今天國(guó)內(nèi)各方面的進(jìn)展與突破來(lái)看，未來(lái)的3~5年，光子芯片可能會(huì)有明顯的進(jìn)展與突破，我們拭目以待。

本文僅代表作者觀點(diǎn)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)?jiān)谖闹凶⒚鱽?lái)源及作者名字。

免責(zé)聲明：本文系轉(zhuǎn)載編輯文章，僅作分享之用。如分享內(nèi)容、圖片侵犯到您的版權(quán)或非授權(quán)發(fā)布，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系進(jìn)行審核處理或刪除，您可以發(fā)送材料至郵箱：service@tojoy.com