光芯片發(fā)展向何方？

  ICC訊 隨著5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術(shù)的迭代升級(jí)和普及應(yīng)用，全社會(huì)數(shù)據(jù)流量和算力需求迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。同時(shí)，傳統(tǒng)電芯片性能的進(jìn)一步提升面臨摩爾定律演進(jìn)失效的問(wèn)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(guò)對(duì)光的處理和測(cè)量實(shí)現(xiàn)信息感知、傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)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(fù)用等優(yōu)勢(shì)，有望打破電芯片的發(fā)展禁錮，為芯片發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)。

  光芯片技術(shù)多體系并存趨于多維融合

  區(qū)別于電芯片相對(duì)單一的材料體系，光芯片可通過(guò)硅系、玻璃、聚合物、二維材料、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體等多種材料平臺(tái)實(shí)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(yīng)用場(chǎng)景來(lái)選擇材料體系。從市場(chǎng)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(dǎo)(PLC)光子集成體系將在未來(lái)的光芯片產(chǎn)業(yè)中具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

  Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系起步較早、潛力較大，但進(jìn)一步發(fā)展仍有問(wèn)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(shù)體系。依托原子直接帶隙的物理優(yōu)勢(shì)，Ⅲ-Ⅴ族元素材料可兼容無(wú)源和有源光器件，成為理想的光學(xué)集成體系。該體系研究起步較早，成熟度相對(duì)較高，在傳輸、感知、顯示等應(yīng)用領(lǐng)域已占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。當(dāng)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(jìn)一步提高集成度在技術(shù)研究和加工工藝方面仍有問(wèn)題待研究解決。

  硅基光子集成體系發(fā)展勢(shì)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(jiǎn)稱“硅光”)是能夠使多個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)在同一硅襯底上集成和制備的技術(shù)體系，主要以硅或與硅工藝兼容的其他材料為實(shí)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(shù)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(dāng)前光芯片的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前硅光體系已能夠?qū)崿F(xiàn)大部分無(wú)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(guò)特定的二次封裝技術(shù)混合集成在硅襯底上。為進(jìn)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(shù)已成為當(dāng)前重點(diǎn)攻克方向。

  PLC光子集成體系發(fā)展相對(duì)成熟，已成為無(wú)源光器件及系統(tǒng)的主流技術(shù)。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(dǎo)，并利用不同光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的組合和排列，實(shí)現(xiàn)復(fù)用、分光、耦合等功能的無(wú)源光學(xué)集成系統(tǒng)。當(dāng)前，PLC光子集成體系因其芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝穩(wěn)定等特點(diǎn)，發(fā)展較為成熟，已廣泛應(yīng)用在光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵無(wú)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(shì)。在器件層面，光芯片的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)實(shí)現(xiàn)有源器件和無(wú)源器件的理想匹配;在載體層面，光芯片的進(jìn)一步發(fā)展需要實(shí)現(xiàn)光學(xué)結(jié)構(gòu)和電學(xué)結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合;在材料層面，光芯片的進(jìn)一步發(fā)展需要實(shí)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(dāng)前仍面臨設(shè)計(jì)、工藝、封裝、測(cè)試等方面的多重挑戰(zhàn)，亟須相關(guān)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(duì)集中，發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)產(chǎn)業(yè)實(shí)力整體較為強(qiáng)勁，擁有Intel、IBM、Infinera等世界領(lǐng)先的光芯片企業(yè)，并通過(guò)成立光子集成研究院AIM Photonics等方式引導(dǎo)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(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化光芯片代工生態(tài)鏈，并通過(guò)“地平線計(jì)劃”等項(xiàng)目推動(dòng)光芯片技術(shù)發(fā)展。其他國(guó)家也充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，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(shè)，部分領(lǐng)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(guān)科研院所和產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)均投入大量的人力、物力和財(cái)力發(fā)展光子集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系，推動(dòng)光芯片產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。當(dāng)前，光芯片在移動(dòng)通信、激光加工等傳統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局已相對(duì)完整，但在消費(fèi)健康、3D傳感、高性能計(jì)算等新興領(lǐng)域仍處于產(chǎn)業(yè)化初期或前夕階段，全生態(tài)體系構(gòu)建仍然面臨諸多問(wèn)題。

  光芯片產(chǎn)業(yè)路線多樣，標(biāo)準(zhǔn)化難度較大。光芯片產(chǎn)業(yè)鏈需要應(yīng)用需求、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、加工制造、封裝測(cè)試等多個(gè)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(lǐng)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(shù)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(yīng)地向不同的產(chǎn)業(yè)路線靠攏并逐漸細(xì)化。多樣化的路線導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)化難度加大，催生了面向個(gè)性化定制化的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。

  光芯片應(yīng)用多領(lǐng)域并進(jìn)潛力巨大

  當(dāng)前，光芯片趨向于實(shí)現(xiàn)信息傳輸、計(jì)算、顯示等多功能應(yīng)用，在通信、計(jì)算、消費(fèi)電子等市場(chǎng)領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿?，有望成為未?lái)信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)和核心支撐之一。

  通信領(lǐng)域，光芯片是光傳輸?shù)幕A(chǔ)元件，有效助推高速光通信發(fā)展。當(dāng)前，通信基礎(chǔ)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(shì)已大量應(yīng)用于光傳輸領(lǐng)域，主要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、分光、復(fù)用和光電轉(zhuǎn)換等功能，在傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場(chǎng)景均發(fā)揮著重要作用。隨著通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shù)已成為發(fā)展熱點(diǎn)。

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

  其他多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，光芯片發(fā)揮重要作用。當(dāng)前，光芯片行業(yè)已在傳感、存儲(chǔ)、顯示、激光雷達(dá)等方面開(kāi)展應(yīng)用，部分產(chǎn)品正處于初步商業(yè)化階段。其中，消費(fèi)電子類產(chǎn)品有望成為光芯片的重要應(yīng)用方向，Mini- LED、Micro- LED、OPA等光芯片在手機(jī)、智能手表、AR/ VR等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域亦將扮演關(guān)鍵角色。

  我國(guó)光芯片未來(lái)發(fā)展展望

  現(xiàn)階段，我國(guó)光芯片市場(chǎng)規(guī)模龐大。一方面，5G、千兆光網(wǎng)等新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的高速建設(shè)提高了對(duì)光芯片的應(yīng)用需求;另一方面，人工智能、數(shù)據(jù)中心等熱點(diǎn)領(lǐng)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(guó)部分光芯片研究處于全球第一研發(fā)梯隊(duì)，相關(guān)成果可達(dá)世界領(lǐng)先水平。例如，曦智科技公司發(fā)布的PACE光計(jì)算引擎，運(yùn)行經(jīng)典人工智能模型的運(yùn)算速率可達(dá)目前高端GPU的780倍;光子算數(shù)公司推出的光電混合計(jì)算加速卡，打破了國(guó)外的技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)光芯片加工的全流程國(guó)產(chǎn)化，目前已初步應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。光芯片有望成為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“換道超車”的重要機(jī)遇。

  但不可否認(rèn)的是，相較于部分發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)光芯片技術(shù)產(chǎn)業(yè)的整體生態(tài)建設(shè)仍不完善，在基礎(chǔ)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(yán)重依賴海外。我國(guó)需要加大對(duì)光芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的支持力度，打牢發(fā)展基礎(chǔ)，補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)短板，集技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、政策、投資之合力助推光芯片領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。

  作者：中國(guó)信息通信研究院 呂佳欣 劉泰