深度丨“全优”光子芯片，会是下一代处理器吗？

随着设计者不断将各种元件添加到芯片上，芯片产生的热量自然会升高。

最近几十年计算机能耗飞涨，目前数据中心所耗能源占全世界能源的1%，仅谷歌一家公司每年耗费的能源比斯里兰卡整个国家还要多。

光子产业进入爆发前期

光芯片在提升计算机运算速率上具有巨大的潜力，未来光子芯片替代微电子芯片将是大势所趋。

[光进电退]演进至芯片内部，光芯片与微电子芯片比较，在算力、能耗、成本、尺寸方面优势明显。

从产业链来看，下游及终端客户对上游光子器件的要求更加精密、轻薄，加工工艺更加高效、精准、复杂。

随着下游智能手机摄像、识别模组的升级、自动驾驶技术的成熟、安防监控摄像机的智能化到无人机的普及等，直接带动光子器件的市场需求。

同时，随着移动通信技术从4G到5G的发展，生物识别技术在消费电子中的应用、芯片材料的改良改进等外部技术的进步，光子产业将迎来了良好的发展机遇。

市场研究公司Marketsand Markets预计，到2023年，全球光子学市场的规模将从2017年的5200亿美元增长到2023年的7804亿美元，复合年增长率为7.0%。

市场需求增长主要是受到信息通信技术、医疗技术、生命科学、自动化视觉等领域的应用需求增长的驱动。

有望带动产业进入[从电到光]

光子芯片技术有望带动整个信息技术产业进入[从电到光]的转变，并在未来光存储、光显示、光互联、光计算，以及医疗卫生和航天、国防等领域的发展中发挥重要作用。

目前，全球部分国家正在加紧进行科研和产业布局，可以预见是，未来谁能率先在光子技术上实现突破，谁就能抢占信息技术产业链的制高点。

2018年1月，国家工信部发布了中国光电子器件发展五年路线图（2018-2022），其中明确提及了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%；

2022年国内企业占据全球光通信器件市场份额的30%以上，有1家企业进入全球前3名。

光子能够对现有的电子芯片性能进行大幅度提升，解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题。

更为重要的是，过去电子芯片主要应用于计算和存储领域，而光子芯片可以在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储及信息显示等领域催生众多新的应用场景。

由于其与CMOS工艺兼容的特点，以及量子计算的推进，谷歌、微软等科技巨头，还有IBM、英特尔等传统芯片龙头，都投入了大量的资金研究。

国内已取得重要的研究进展

有国内的光量子计算公司，已掌握自主知识产权的三维和超高速光子芯片核心技术与工艺，从设计、流片到封装测试，再到系统集成和量子算法，实现了光量子计算芯片的全链条研发。

2020年4月29日，在山西大学光电研究所某实验室内，教授正在调试光电检测设备如今的光芯片，最难的仍然是高精度的微纳加工技术。

2021年7月，中国科学技术大学潘建伟院士团队联合浙江大学，通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理，发明了速率达18.8Gbps、迄今最快的实时量子随机数发生器。

日前国内一家公司曦智科技发布了新一代光子计算处理器PACE，1GHz频率下某些运算的性能就是GPU的数百倍了。

芯片替代电子芯片的可能性

当制程降至7纳米以下时，极易出现电涌和电子击穿问题，也就是已经很难完美地控制电子了。

业内人士普遍认为集成电路的尺寸微缩最多到2030年就会达到物理极限，亟需寻找创新发展的出路。

电子芯片尺寸降到极致时会出现功耗墙难题，巨大的耗能压力就是计算机发展的最大技术障碍之一。

由于CMOS半导体功耗密度已接近极限，所以必须寻找新途径、新结构、新材料。

过去几十年中处理器的性能以每年约55%的速度提升，而内存性能的提升速度约为每年10%，简单来讲就是大量信息存储不过来、计算不过来。

电子芯片性能提升的同时，性价比在降低。业界普遍认为，28纳米是芯片性价比最高的尺寸。

更复杂的GAA结构的设计成本只会更高，这仅是芯片设计、制造、封装、测试中的设计环节。

光子芯片与电子芯片最大区别之处就是它的信号不同光子芯片，它的信号是光信号。

可以说，信息时代的基础设施是电子芯片，人工智能时代将更多地依托光子芯片，光子芯片是未来新一代信息产业的基础设施和核心支撑。

光子芯片未克服的难点

目前还未形成有效的系统性设计方法，设计流程不固定，辅助设计工具不完善。

光子芯片制造并不容易—它内部的器件都是三维结构，集成要考虑的因素就变多了，同时还引入了光学相关因素，会出现一些不规则的结构。

加工的材料也不单纯是硅，还有化合物，这让制造的复杂性进一步提升。

硅光芯片和InP类的光芯片，都涉及光的耦合，物理模型不好建立，同时制作成本也比传统芯片高。

结尾：

对我国而言，既要在传统赛道电子芯片领域尽快补短板，也要尽早在光子芯片等新赛道布局发力。

双管齐下，抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇，努力争取实现[非对称赶超]。

部分资料参考：

Engineering：《效率更高、能耗更低的光子芯片，会是下一代处理器吗？》

《光子芯片有望成为下一代芯片技术发展方向》

上观新闻：《上理工光子芯片成果“点亮”全球首块纳米三维立体屏》

财先说：《国产半导体多点开花，光子芯片取得突破，能否实现换道超车？》