光芯片發(fā)展向何方？

  ICC訊 隨著5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術的迭代升級和普及應用，全社會數(shù)據(jù)流量和算力需求迎來爆發(fā)式增長。同時，傳統(tǒng)電芯片性能的進一步提升面臨摩爾定律演進失效的問題，算力供需矛盾日漸突顯。光芯片以光為信息載體，是與電芯片平行發(fā)展的器件集成體系。光芯片通過對光的處理和測量實現(xiàn)信息感知、傳輸、存儲、計算、顯示等功能，因其具有速度快、穩(wěn)定性高、工藝精度要求低和可多維度復用等優(yōu)勢，有望打破電芯片的發(fā)展禁錮，為芯片發(fā)展帶來新的契機。

  光芯片技術多體系并存趨于多維融合

  區(qū)別于電芯片相對單一的材料體系，光芯片可通過硅系、玻璃、聚合物、二維材料、Ⅲ-Ⅴ族半導體等多種材料平臺實現(xiàn)。因此，光芯片需依據(jù)擬適配的器件類型、功能方向和應用場景來選擇材料體系。從市場規(guī)模和產(chǎn)業(yè)落地情況看，Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系、硅基光子集成體系和平面光波導(PLC)光子集成體系將在未來的光芯片產(chǎn)業(yè)中具有較高的經(jīng)濟價值。

  Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系起步較早、潛力較大，但進一步發(fā)展仍有問題待研究解決。Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系是以磷、銦、砷、鎵等Ⅲ-Ⅴ主族元素材料為主體的集成技術體系。依托原子直接帶隙的物理優(yōu)勢，Ⅲ-Ⅴ族元素材料可兼容無源和有源光器件，成為理想的光學集成體系。該體系研究起步較早，成熟度相對較高，在傳輸、感知、顯示等應用領域已占據(jù)市場主導地位。當前，Ⅲ-Ⅴ族光芯片正向小型化、兼容化、多功能化的方向發(fā)展。但是，受晶圓尺寸和加工制備等因素限制，系統(tǒng)進一步提高集成度在技術研究和加工工藝方面仍有問題待研究解決。

  硅基光子集成體系發(fā)展勢頭迅猛，向大規(guī)模集成和光電融合方向發(fā)展。硅基光子集成(以下簡稱“硅光”)是能夠使多個光學結構在同一硅襯底上集成和制備的技術體系，主要以硅或與硅工藝兼容的其他材料為實現(xiàn)主體。硅光體系的材料和工藝可與傳統(tǒng)電芯片兼容，這一特性能夠有效地助推硅光技術向大規(guī)模集成和光電融合方向發(fā)展，使硅光芯片成為當前光芯片的研究熱點。當前硅光體系已能夠實現(xiàn)大部分無源和有源光器件，僅在硅基光源和光放大器方面還面臨困難。因此，多種光器件均可通過特定的二次封裝技術混合集成在硅襯底上。為進一步提高芯片集成度，將光器件、電器件一次集成在同一襯底上的單片集成技術已成為當前重點攻克方向。

  PLC光子集成體系發(fā)展相對成熟，已成為無源光器件及系統(tǒng)的主流技術。PLC光子集成體系是在玻璃、二氧化硅等基板平面上形成光波導，并利用不同光波導結構的組合和排列，實現(xiàn)復用、分光、耦合等功能的無源光學集成系統(tǒng)。當前，PLC光子集成體系因其芯片結構簡單、工藝穩(wěn)定等特點，發(fā)展較為成熟，已廣泛應用在光通信網(wǎng)絡的關鍵無源器件中。

  多維度融合發(fā)展成為光芯片提高集成度和系統(tǒng)性能的必然趨勢。在器件層面，光芯片的進一步發(fā)展應實現(xiàn)有源器件和無源器件的理想匹配;在載體層面，光芯片的進一步發(fā)展需要實現(xiàn)光學結構和電學結構的有機結合;在材料層面，光芯片的進一步發(fā)展需要實現(xiàn)硅系、Ⅲ-Ⅴ族等多體系的高效兼容。值得注意的是，光芯片的多維融合發(fā)展在當前仍面臨設計、工藝、封裝、測試等方面的多重挑戰(zhàn)，亟須相關科研院所及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新突破。

  光芯片產(chǎn)業(yè)多路徑發(fā)展部署加快

  光芯片產(chǎn)業(yè)分布相對集中，發(fā)達國家正積極部署并致力于打造區(qū)域特色。光芯片產(chǎn)業(yè)主要分布在北美、歐洲、東亞、南亞四大地區(qū)。美國產(chǎn)業(yè)實力整體較為強勁，擁有Intel、IBM、Infinera等世界領先的光芯片企業(yè)，并通過成立光子集成研究院AIM Photonics等方式引導各方資源投入光芯片產(chǎn)業(yè)。歐洲高度重視光芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成了科研院所與企業(yè)聯(lián)合代工等產(chǎn)業(yè)模式，積極構建標準化光芯片代工生態(tài)鏈，并通過“地平線計劃”等項目推動光芯片技術發(fā)展。其他國家也充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，積極打造區(qū)域特色的光芯片產(chǎn)業(yè)。

  光芯片產(chǎn)業(yè)快速建設，部分領域產(chǎn)業(yè)布局已成熟完整。在全球芯片短缺的大環(huán)境下，相關科研院所和產(chǎn)業(yè)機構均投入大量的人力、物力和財力發(fā)展光子集成技術產(chǎn)業(yè)體系，推動光芯片產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。當前，光芯片在移動通信、激光加工等傳統(tǒng)領域的產(chǎn)業(yè)布局已相對完整，但在消費健康、3D傳感、高性能計算等新興領域仍處于產(chǎn)業(yè)化初期或前夕階段，全生態(tài)體系構建仍然面臨諸多問題。

  光芯片產(chǎn)業(yè)路線多樣，標準化難度較大。光芯片產(chǎn)業(yè)鏈需要應用需求、開發(fā)設計、加工制造、封裝測試等多個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)之間的相互配合。受材料體系多樣、器件類型豐富、光電領域差異等因素影響，不同企業(yè)制造的相同功能產(chǎn)品，采用的技術方案存在較大差異，形成了多樣性的產(chǎn)業(yè)路線，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)也相應地向不同的產(chǎn)業(yè)路線靠攏并逐漸細化。多樣化的路線導致產(chǎn)業(yè)鏈標準化難度加大，催生了面向個性化定制化的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。

  光芯片應用多領域并進潛力巨大

  當前，光芯片趨向于實現(xiàn)信息傳輸、計算、顯示等多功能應用，在通信、計算、消費電子等市場領域具有較大的發(fā)展?jié)摿?，有望成為未來信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎和核心支撐之一。

  通信領域，光芯片是光傳輸?shù)幕A元件，有效助推高速光通信發(fā)展。當前，通信基礎元件需要向大帶寬、集成化、高能效的方向發(fā)展。光芯片因速率高、低損耗等優(yōu)勢已大量應用于光傳輸領域，主要實現(xiàn)互聯(lián)、分光、復用和光電轉換等功能，在傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等應用場景均發(fā)揮著重要作用。隨著通信網(wǎng)絡實現(xiàn)更高速率，面向800Gbps高速光模塊的光芯片產(chǎn)品和硅光技術已成為發(fā)展熱點。

  計算領域，光子集成逐漸融入計算系統(tǒng)并形成后摩爾時代的新型計算路徑。隨著后摩爾時代的到來，傳統(tǒng)電子計算陷入發(fā)展滯緩期，光信號有望成為未來計算系統(tǒng)的重要信息載體。在傳統(tǒng)計算路徑中將光互聯(lián)引入核心處理單元中，可有效提升運算、存儲等模塊間的數(shù)據(jù)傳輸速率。而在新型計算路徑方面，基于宏觀物理特性的光計算芯片和基于微觀物理特性的光量子計算芯片能夠有效地提升整體計算性能，有望解決當前算力供需矛盾。

  其他多個應用領域，光芯片發(fā)揮重要作用。當前，光芯片行業(yè)已在傳感、存儲、顯示、激光雷達等方面開展應用，部分產(chǎn)品正處于初步商業(yè)化階段。其中，消費電子類產(chǎn)品有望成為光芯片的重要應用方向，Mini- LED、Micro- LED、OPA等光芯片在手機、智能手表、AR/ VR等產(chǎn)業(yè)領域亦將扮演關鍵角色。

  我國光芯片未來發(fā)展展望

  現(xiàn)階段，我國光芯片市場規(guī)模龐大。一方面，5G、千兆光網(wǎng)等新型信息基礎設施的高速建設提高了對光芯片的應用需求;另一方面，人工智能、數(shù)據(jù)中心等熱點領域也為光芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了巨大的發(fā)展空間。與電芯片相比，我國部分光芯片研究處于全球第一研發(fā)梯隊，相關成果可達世界領先水平。例如，曦智科技公司發(fā)布的PACE光計算引擎，運行經(jīng)典人工智能模型的運算速率可達目前高端GPU的780倍;光子算數(shù)公司推出的光電混合計算加速卡，打破了國外的技術壁壘，實現(xiàn)光芯片加工的全流程國產(chǎn)化，目前已初步應用在數(shù)據(jù)中心領域。光芯片有望成為我國半導體產(chǎn)業(yè)“換道超車”的重要機遇。

  但不可否認的是，相較于部分發(fā)達國家，我國光芯片技術產(chǎn)業(yè)的整體生態(tài)建設仍不完善，在基礎材料、配套軟件、加工制造等方面存在明顯短板，部分產(chǎn)品上中游產(chǎn)業(yè)嚴重依賴海外。我國需要加大對光芯片技術和產(chǎn)業(yè)的支持力度，打牢發(fā)展基礎，補齊產(chǎn)業(yè)短板，集技術、產(chǎn)業(yè)、政策、投資之合力助推光芯片領域高質量發(fā)展。

  作者：中國信息通信研究院 呂佳欣 劉泰