莊嘉

2019年8月，華為申請(qǐng)了“光計(jì)算芯片、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)”的發(fā)明專利，在2021年華為全球分析師大會(huì)上，明確表示正在研究光子計(jì)算

據(jù)阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的“2022年十大科技趨勢(shì)”，“硅光芯片”赫然在列。若此語應(yīng)驗(yàn)，那么將催生信息時(shí)代的一項(xiàng)新技術(shù)革命，該項(xiàng)技術(shù)革命的基石就是硅基光電子技術(shù)。

硅基光電子技術(shù)堪稱“21世紀(jì)的劃時(shí)代技術(shù)”，將促進(jìn)數(shù)據(jù)中心、量子通信、智能駕駛、消費(fèi)電子等精細(xì)領(lǐng)域發(fā)生變革，有望解決網(wǎng)絡(luò)擁堵和延遲、數(shù)據(jù)極高速率傳輸、電子芯片物理極限等前沿問題。

“硅光芯片”被列入“2022年十大科技趨勢(shì)”的主要依據(jù)是：目前被廣泛應(yīng)用的電子芯片已被人類發(fā)展到了物理極限，在數(shù)據(jù)傳輸和算力等方面遭遇瓶頸;硅光芯片被認(rèn)為是最適合解決電子芯片物理極限問題的底層路徑，有望在數(shù)據(jù)傳輸和算力等方面突破“摩爾定律”。

實(shí)然，我們熟知被深度應(yīng)用的電子芯片是受制于摩爾定律的。根據(jù)摩爾定律，當(dāng)電子芯片的晶體管程達(dá)到3納米，便已接近物理極限，數(shù)據(jù)傳輸能力難以繼續(xù)翻倍。然而，“硅光芯片”卻能突破這些瓶頸，將信息算力提升到另一個(gè)高度！“硅光芯片”是指，在給磷化銦施加電壓時(shí)，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)產(chǎn)生持續(xù)的激光束，從而驅(qū)動(dòng)其他硅材質(zhì)的芯片，進(jìn)而集成到單一硅基芯片上，形成高集成度的“硅光芯片”。

北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李培剛指出：“‘硅光芯片’是基于硅和硅基襯底材料，利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成，結(jié)合了集成電路技術(shù)超大規(guī)模、超高精度制造的特性以及光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶圓制造技術(shù)是相輔相成的?！被诖?，不同于電子芯片，用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，并結(jié)合光子和電子優(yōu)勢(shì)的“硅光芯片”，具備光波導(dǎo)傳輸性好、功耗低、時(shí)延低、運(yùn)算速度快等特質(zhì)。一方面，在數(shù)據(jù)運(yùn)輸上，光子解決了電子的物理極限問題;另一方面，在算力上，光子克服了線性運(yùn)算的局限，應(yīng)用矩陣乘法進(jìn)一步提升了算力，延時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子芯片，且光子在傳播時(shí)不會(huì)發(fā)熱。

由此可見，“硅光芯片”的研發(fā)應(yīng)用開辟了芯片發(fā)展的新賽道，將為超級(jí)計(jì)算、人工智能等新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展提供有力支撐！從2018年開始，在“硅光芯片”的研發(fā)應(yīng)用上，我國就步入了快車道。2018年8月，中國信科宣布我國首款商用“100G硅光收發(fā)芯片”正式投產(chǎn)。2019年9月，我國西永微電子產(chǎn)業(yè)園區(qū)的聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司（以下簡稱“聯(lián)合公司”）實(shí)現(xiàn)了8英寸硅基光電子技術(shù)工藝平臺(tái)的通線，并正式向全球發(fā)布“180納米成套硅光PDK（工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包）”，這標(biāo)志著我國具備了硅基光電子領(lǐng)域全流程自主工藝制造能力。2021年12月，中國信息通信科技集團(tuán)光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心（NOEIC）、鵬城實(shí)驗(yàn)室，在國內(nèi)率先完成了1.6Tb/s硅基光收發(fā)芯片的聯(lián)合研制和功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了我國“硅光芯片”技術(shù)向Tb/s級(jí)的首次跨越，并為我國下一代數(shù)據(jù)中心內(nèi)的寬帶互聯(lián)提供了可靠的光芯片解決方案。目前，國際上400G光模塊已進(jìn)入商用部署階段，800G光模塊樣機(jī)研制和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在推進(jìn)中，而1.6Tb/s光模塊將成為下一步全球競相角逐的熱點(diǎn)。

此外，在“十四五”規(guī)劃中，上海、湖北、重慶、蘇州等地的政府均將“硅光芯片”列入重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)清單中，明確提出發(fā)展“硅光芯片”與器件，重點(diǎn)突破硅光子、光通信器件等新一代光子器件的研發(fā)與應(yīng)用，對(duì)光子器件模塊化技術(shù)、基于CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的硅光子工藝、芯片集成化技術(shù)、光電集成模塊封裝技術(shù)等方面的研究開展重點(diǎn)攻關(guān)。

實(shí)然，硅基光電子技術(shù)的應(yīng)用不僅僅局限于“硅光芯片”，在很多領(lǐng)域均有其用武之地。在量子通信領(lǐng)域，日本、英國走在了世界前列。日本早在2019年就在處理器中引入光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)出了超小型光電變換元件，并正開發(fā)高性能、低耗電的光電融合型信息處理器件。該器件將應(yīng)用于異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)，節(jié)能、高通量數(shù)據(jù)處理以及超低延遲檢測(cè)、模式匹配處理等領(lǐng)域。英國則啟動(dòng)了硅光子學(xué)項(xiàng)目，聚焦光電子集成的電信設(shè)備，完成了光子回路的晶片鍵合或光子金屬層的低溫制造，從而進(jìn)一步提升通信效能。

在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，日本在《尖端研究開發(fā)資助計(jì)劃（FIRST）》中將“光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)（PECST）”列入其中，意圖在2025年實(shí)現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”的目標(biāo)。2019年8月，我國華為申請(qǐng)了“光計(jì)算芯片、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)”的發(fā)明專利，在2021年華為全球分析師大會(huì)上，明確表示正在研究光子計(jì)算。華為董事、戰(zhàn)略研究院院長徐文偉表示，“到2030年，全球算力需求將增加100倍，如何打造超級(jí)算力將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，未來光子計(jì)算面臨巨大的應(yīng)用場(chǎng)景”。

在智能駕駛領(lǐng)域，我國聯(lián)合公司開發(fā)了國內(nèi)領(lǐng)先的激光雷達(dá)光學(xué)相控陣天線。誠如該公司副總經(jīng)理、技術(shù)總監(jiān)郭進(jìn)所言，“高集成度的硅光學(xué)相控陣技術(shù)是未來激光雷達(dá)在無人駕駛、無人機(jī)等領(lǐng)域全固態(tài)、小型化發(fā)展的必由之路。目前在核心發(fā)射芯片、系統(tǒng)及算法方面取得突破，有望在未來幾年開發(fā)芯片級(jí)激光雷達(dá)，并廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛與機(jī)器人領(lǐng)域”。

據(jù)英特爾的《硅基光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》透露，“硅光模塊產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入快速發(fā)展期。2022年，硅基光電子技術(shù)在每秒峰值速度、能耗、成本方面將全面超越傳統(tǒng)光模塊，預(yù)測(cè)硅光模塊的市場(chǎng)增速為40%，2024年將達(dá)到39億美元，屆時(shí)有望占據(jù)整體市場(chǎng)規(guī)模的21%”。

據(jù)悉，目前包括英特爾、比利時(shí)IMEC、新加坡AMF、格芯半導(dǎo)體、光迅科技、華為、海信等在內(nèi)的世界500強(qiáng)企業(yè)均在布局硅基光電子技術(shù)。歐盟更是早在2013年就啟動(dòng)了針對(duì)硅基光電子技術(shù)的PLAT4M（針對(duì)制造的光字庫和技術(shù)）項(xiàng)目，意圖打造硅基光電子技術(shù)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，聚集了以法國微電子和納米技術(shù)研究中心 CEA-Leti為領(lǐng)跑者的包括德國Aifotec等公司在內(nèi)的15家歐盟企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)及潛在用戶。

毫無疑問，不同于依賴電子為傳輸媒介的技術(shù)，硅基光電子技術(shù)充分運(yùn)用了光子與電子融合，并借助硅為誘發(fā)，刺激光子突破電子的局限，以實(shí)現(xiàn)光子代替電子的作用。理論上，硅基光電子技術(shù)發(fā)展主要可以分為三個(gè)階段：第一階段，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化;第二階段，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片;第三階段，光電一體技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。

中科院半導(dǎo)體研究所的王啟明院士表示：“目前，硅基光電子技術(shù)仍然處在第二階段。”雖然硅基光電子技術(shù)即將被應(yīng)用于規(guī)?；逃?，但不可否認(rèn)的是，目前仍然存在技術(shù)難點(diǎn)需要攻破，比如設(shè)計(jì)工具非標(biāo)準(zhǔn)化、硅光耦合工藝要求較高以及晶圓自動(dòng)測(cè)試及切割等技術(shù)性挑戰(zhàn)。

可以預(yù)見，在未來，硅基光電子技術(shù)將掀起又一次劃時(shí)代的技術(shù)革新，將人類社會(huì)從“電子的信息時(shí)代”引入“光子的信息時(shí)代”，從而突破信息傳輸速度“納秒門檻”，開啟人類探索微觀世界的嶄新視域！

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com

“硅光芯片”被列入“2022年十大科技趨勢(shì)”