幾十年來，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律，不僅成為計算機處理器的制造準(zhǔn)則，某種程度上也被看作科技行業(yè)的前進預(yù)言。

然而，自從1958年仙童半導(dǎo)體公司發(fā)明集成電路后，以硅為基礎(chǔ)的電子芯片已經(jīng)發(fā)展了幾十年。

如今，電子芯片的承載能力已經(jīng)逼近了物理理論的極限。

光子芯片的出現(xiàn)，被看作突破摩爾定律的有效途徑之一。

相比電子芯片有獨特優(yōu)勢

“光子芯片簡單說就是利用光信號進行數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。”中科創(chuàng)星董事總經(jīng)理張思申向科技日報記者解釋，相對于電子驅(qū)動的集成電路，光子芯片的獨特優(yōu)勢十分明顯。未來，無論是互聯(lián)網(wǎng)、5G還是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，在基礎(chǔ)設(shè)施方面都離不開光纖和光學(xué)器件。

據(jù)張思申介紹，相比傳統(tǒng)的電子芯片，光子芯片有很多優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為高速率和低功耗。光信號以光速傳輸，速度得到巨大提升;理想狀態(tài)下，光子芯片的計算速度比電子芯片快約1000倍。光子計算消耗能量少，光計算功耗有望低至每比特10—18焦耳(10—18J/bit)，相同功耗下，光子器件比電子器件快數(shù)百倍。

另外，光具有天然的并行處理能力以及成熟的波分復(fù)用技術(shù)，從而使光子芯片的數(shù)據(jù)處理能力、容量及帶寬均大幅度提升;光波的頻率、波長、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同的數(shù)據(jù)，且光路在交叉?zhèn)鬏敃r互不干擾。這些特性使得光子擅長做并行運算，與多數(shù)計算過程花在“矩陣乘法”上的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相契合。

“總體而言，光子芯片具有高計算速度、低功耗、低時延等特點，且不易受到溫度、電磁場和噪聲變化的影響。”張思申說，光子芯片可以采用硅基半導(dǎo)體工藝來制造，形成光波導(dǎo)等無源器件。并且不追求工藝尺寸的極限縮小，突破了工藝的限制，有更多的性能提升空間。此外，光子芯片提供了全新的芯片設(shè)計架構(gòu)思路，徹底顛覆原有的設(shè)計理念，有更多的設(shè)計創(chuàng)意空間。光子芯片可以與三五族化合物半導(dǎo)體形成的發(fā)光器件封裝在一起來實現(xiàn)光電集成。未來將過渡到異質(zhì)集成，實現(xiàn)真正的光電集成芯片。

人工智能時代的基礎(chǔ)設(shè)施

張思申表示，光子計算芯片通常由一個電子芯片部分和光子傳輸部分來組成，電子芯片負(fù)責(zé)邏輯運算，讀取傳輸由光波導(dǎo)來實現(xiàn)。而在未來的光計算系統(tǒng)中，可以把光子芯片理解為電子芯片的“高速公路”，它幫助電子芯片分擔(dān)包括線性計算、數(shù)據(jù)傳輸、內(nèi)存讀取等在內(nèi)的這些相對耗時的操作。

“光子芯片是人工智能時代的基礎(chǔ)設(shè)施，可以廣泛應(yīng)用于高速傳輸、遠(yuǎn)距離感知、人工智能計算處理領(lǐng)域。”張思申說。

他舉例說明：在5G通信領(lǐng)域，光通信已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在的云計算和數(shù)據(jù)中心中，已經(jīng)大量采用了基于光子芯片的光收發(fā)模塊，谷歌現(xiàn)在已經(jīng)是全球最大的光器件采購商。在人工智能領(lǐng)域，光子芯片是一種光計算架構(gòu)與人工智能算法高度匹配的芯片設(shè)計，可應(yīng)用于自動駕駛、安防監(jiān)控、語音識別、圖像識別、醫(yī)療診斷、虛擬現(xiàn)實等關(guān)鍵人工智能領(lǐng)域，并已經(jīng)得到了實際應(yīng)用。在光計算方面，類腦光子芯片模擬人腦的計算，通過光子攜帶信息在模擬大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下處理數(shù)據(jù)，使芯片達到像人腦一樣高速并行且低功耗的計算。包括IBM、英特爾，以及國內(nèi)的一些企業(yè)和研究院所都在研發(fā)光CPU。“不過，硅基光電子產(chǎn)品的大規(guī)模商用還需時日，光計算市場還需要時間培育。”他坦言。

此外，在光感知方面，基于光子技術(shù)的激光雷達是當(dāng)下的熱點技術(shù)和應(yīng)用方向，特別是在無人駕駛行業(yè)的應(yīng)用，推動了行業(yè)的發(fā)展。在生物醫(yī)藥、納米器件等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高分辨無損檢測的新型計算顯微關(guān)聯(lián)成像裝備中，光子芯片均可以發(fā)揮其高速并行、低功耗、微型化的優(yōu)勢。

在空間激光通信領(lǐng)域，光子芯片是解決目前空間傳輸速率瓶頸問題的主要技術(shù)手段，另外還有星間互聯(lián)網(wǎng)、6G通信、智能遙感測繪等國家戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)略需求領(lǐng)域，而這些都是需要對大數(shù)據(jù)進行高速、低功耗、實時處理的。光子芯片在這些國家戰(zhàn)略領(lǐng)域?qū)⑵鸬椒浅Ｖ匾闹巫饔谩?/p>

電子芯片仍占主導(dǎo)地位

盡管光子芯片的優(yōu)勢明顯，但張思申直言，目前在芯片領(lǐng)域，電子芯片仍占據(jù)主導(dǎo)地位。特別是存儲領(lǐng)域，仍是電存儲芯片的天下，光存儲還未實現(xiàn)量產(chǎn)突破。在傳輸相關(guān)領(lǐng)域，如光通訊上，光子芯片已經(jīng)被大量使用，占主要地位。在邏輯運算領(lǐng)域，未來的趨勢是光電集成的結(jié)合，還需要很長一段時間逐步替代，才能實現(xiàn)全光計算。“總體來說，目前只在個別計算和傳輸領(lǐng)域，光子芯片可以取代電子芯片的地位。”他說。

從工藝上看，光子芯片擺脫了對摩爾定律不斷縮小工藝尺寸的依賴，從而降低了對先進工藝的需求，一定程度上減輕了當(dāng)前芯片發(fā)展的關(guān)鍵問題。“實際上我們可以看到，很多實現(xiàn)量產(chǎn)的高端光子芯片來自海外，這一現(xiàn)狀需要我們國內(nèi)的光子芯片企業(yè)不斷努力，提高產(chǎn)品性能，提高國產(chǎn)化率。”張思申說。

“如今光子計算仍處于早期階段，最大的挑戰(zhàn)來自于對于光計算芯片上光學(xué)器件密度的提升。在這一全新賽道上，我們雖然沒有前路可以借鑒，但發(fā)展前景令人十分期待。光學(xué)計算已經(jīng)在商業(yè)化道路上邁出了重要的一步，相信在未來的兩三年內(nèi)，我們可以看到光子計算芯片的應(yīng)用，開啟計算革命。”張思申說。(崔爽)

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布局光子芯片產(chǎn)業(yè) 各國均在路上

目前，全球多個國家出臺政策，扶持光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國外領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)也都紛紛在光子芯片領(lǐng)域重金投入，以求在未來的競爭中占據(jù)主動地位。

2018年1月，工信部發(fā)布了中國光電子器件發(fā)展五年路線圖(2018—2022)，其中明確提及中國光通信器件產(chǎn)業(yè)目標(biāo)：2022年中低端光電子芯片國產(chǎn)化率超過60%，高端光電子芯片的國產(chǎn)化率突破20%。

國內(nèi)的華為、光迅、海信等公司都在光子芯片領(lǐng)域進行了布局。據(jù)張思申介紹，目前在光通訊中低端光子芯片領(lǐng)域我們實現(xiàn)自主供貨，高端光子芯片也逐步走向成熟。近幾年國內(nèi)也出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的光子芯片初創(chuàng)公司，如陜西源杰半導(dǎo)體在國產(chǎn)激光芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，打破了國外壟斷;曦智科技2019年4月發(fā)布了全球首款光子芯片原型板卡，并通過流片驗證，計劃從2021年起為AI云計算帶來高效的量產(chǎn)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞： 光子芯片