光芯片正在破局

  随着传统制程工艺逼近极限，电子芯片在逐步提升计算速度和降低功耗方面的步伐显著放缓，传统电子计算硬件的极限越来越难以突破。

  “后摩尔时代”，颠覆性技术成为破局的关键。新技术正在加速进化，光芯片正在加速破局。

  从行业现在的状况来看，光芯片似乎始终是“雷声大，雨点小”，并未在市面上见到太多应用案例。那么，当前光芯片发展进程如何？未来，光芯片能否取代传统芯片呢？

  AI爆发，算力需求激增，在过去的一段时间里，“摩尔定律失效”的声音也愈加响亮。

  电子芯片的发展已经面临巨大的物理和经济成本挑战，难以匹配增长慢慢的变快的算力需求。

  电子芯片以硅为基础，当制程降至7纳米以下时，便有可能会出现电涌和电子击穿等问题，导致难以控制。

  光芯片则提供了新解法，不仅仅可以克服功耗和访存能力的瓶颈，还能催生许多前所未有的应用场景。

  其实，针对光计算的研究也很早就开始了，始于20世纪60年代，但直到最近10年，光计算芯片才逐渐取得突破性进展。

  电子芯片依赖于电子晶体管和导电铜线，而光子芯片则以光子晶体管和导光波导为基础。

  光芯片采用光波（电磁波）来作为信息传输或数据运算的载体，将电信号转换为光信号，进行高速数据传输和处理。一般依托于集成光学或硅基光电子学中介质光波导来传输导模光信号，将光信号和电信号的调制、传输、解调等集成在同一块衬底或芯片上。

  因此，光子芯片可分为激光器芯片和探测器芯片，激光器芯片通过半导体材料激发电流以实现电光转换，而探测器芯片则通过光电效应将光信号转化为电信号。

  我们也能够正常的看到，电-光转换是光电集成电路设计的关键，使用探测器或电光调制器，将电信号转换为光信号，或将光信号转换为电信号。

  同时，低损耗耦合对光芯片也很重要。要保障在光电元件之间实现低损耗、高效率的信号传输。尤其是在电子元件和光学波导之间的接口设计上，需要确保最好能够降低信号损失。

  还要有高密度集成的设计，必须确保光学元件和电子元件能够在紧凑空间内集成，同时避免光子器件之间的干扰。

  光子芯片简单说是利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的芯片。

  光子芯片在当下时代备受追捧主要得益于其两方面的优势：一是性能优势，高计算速度、低功耗、低时延；其二则是制造优势，制程要求没那么高。

  具体比较起来，由于光的传播速度极快且具有高带宽的特点，它能够在更短时间内传输更大规模的数据。此外，光信号几乎不产生电阻热损耗，能效比传统电信号高。

  部分多个方面数据显示，光子芯片的计算速度大概是电子芯片的三个数量级，约1000倍。

  而光子芯片的功耗仅为电子芯片的百分之一，单位电子芯片和耗电量大概300W，对应的光子芯片的耗电量只有4W。因此，光子集成电路与光互连展现出了更低的传输损耗 、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力。

  与传统的光学元件相比，光芯片具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等优势，可以在一定程度上完成高速、高精度、高可靠的光学信号处理和传输。

  值得一提的是，光芯片与传统芯片计算的介质不同，因此不需要高精度的光刻机。

  高端的电子芯片需要在硅晶圆上刻出芯片线路，还要集成上百亿的晶体管，因此要使用到高精度EUV光刻机，而光子芯片是使用光波来作为信息传输和数据运算的载体，所以不依赖光刻机制作，使用我国已经相对成熟的原材料和设备就能生产。

  这并不意味着光芯片不需要高精度。光芯片对制程要求相对不高，外延设计及制造才是技术门槛最高的核心部分。且与电芯片相比，光芯片的大规模生产难度更高，工艺控制的要求也更严格。

  因为光学元件之间也需要精确对准，以确保信号传输的效率。即使微小的错位也会导致光信号的严重损耗。

  并且，光芯片涉及多种不一样的材料，如何在不一样的材料之间实现有效的光耦合是一个关键挑战。

  此外，光芯片具有超高速数据传输能力，结合光纤网络，光芯片主要使用在于通信行业，是通信设施系统里不可或缺的一部分，推动了通信技术进入全新时代。而我们常说的芯片是硅芯片，属于半导体行业，比如CPU、存储、闪存等。

  近年来，光芯片的应用场景获得了极大的拓展。光芯片不仅能在计算领域大显身手，主要使用在于光通信、数据中心、超高速互联网、光子计算、量子计算和传感器等领域，也在其他领域展现其应用前景。

  如抗干扰性能强的光子技术使得光子雷达的研发成为可能，无人驾驶、图像识别、虚拟现实、数云平台等领域，光芯片也已被大量采用。

  在生命健康、超导材料以及国防装备等方面，光芯片可实现更高效的数据处理和分析，将形成神经光子学、免疫分析、高超音速武器等新的重大应用场景。

  材料选择方面，光芯片的材料选择至关重要，不同于电芯片主要使用硅（Silicon），光芯片需要用适合光传输和调制的材料。常见的光芯片材料包括：

  硅（Silicon）：硅光子学（Silicon Photonics）是最成熟的光芯片技术，因为硅拥有非常良好的制造基础，能与CMOS工艺兼容。但硅在光发射方面效果较差，需要外加激光源。

  磷化铟（InP）：磷化铟拥有非常良好的光发射和探测特性，大范围的使用在光通信芯片。

  氮化镓（GaN）：这样一种材料在高频和高功率应用中表现出色，适用于光子和微波器件。

  其他材料：如氧化锗（Ge）、氧化硅（SiO2）等，常用于光波导和其他光学元件的制作。

  鉴于摩尔定律的限制、功耗与发热的难题、存力与算力的不足以及性价比等原因，在某些情况下，电子芯片似乎已不再适用。

  目前的芯片领域，电子芯片依旧占据主导地位，特别是存储领域，光存储还未实现量产突破。

  混合芯片（光电集成芯片）也正在成为一个研究热点，它通过将光子和电子元件结合在一个芯片上，利用光子进行数据传输，同时利用电子进行计算和控制。

  这种混合设计有望发挥两者的优势，解决各自的局限，推动数据处理、通信和计算技术的进一步突破。

  不可否认的是，随着产业的持续投入，和科技的快速迭代，光芯片正在加速“后摩尔时代”的破局。

  光芯片炙手可热。近期，Nvidia、AMD和Intel三巨头更是罕见联手，投资了一家名为Ayar Labs的光芯片初创公司。Ayar Labs将公司定位为光学互连解决方案领域的领导者，其提供的产品数据传输速度与 AI 相当。

  实际上，早在20世纪80年代，美日欧等发达国家就开始投入布局光子技术和产业。

  美国是硅光子领域起步最早也是发展最好的国家，拥有成熟的产业链和多个重要的研究机构。

  1991年美国便成立了“美国光电子产业振兴会”，以引导资本和各方力量进入光电子领域。2014年，美国又建立了“国家光子计划”产业联盟，明确将支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发。

  美国的公司如Intel、IBM、Lumentum和II-VI等在光子芯片的研发和产业化方面处于领先地位。

  欧盟则将光子技术纳入“地平线”、“（ECSEL JU）年度战略计划”等国家战略。当地时间2024年11月11日，荷兰经济部表示，欧盟将投资1.33亿欧元（约合10.23亿人民币），在荷兰建设光芯片中试线。若进展顺利，该中试线年中动工。

  中国大概在2010年以后开始入局光芯片赛道，开始重视光子芯片技术的研发。

  目前，中国本土的高功率激光芯片、部分高速率激光芯片（10G、25G等）等已处于国产化加速突破阶段，相关公司有长光华芯、武汉锐晶等。

  同时，中国也在硅光芯片和VCSEL芯片领域进行积极布局，代表公司包括曦智科技、光迅科技等。

  而光探测芯片、25G以上高速率激光芯片刚刚起步，本土化还有较长的路要走。

  光子芯片作为新兴技术，正在持续不断的发展和完善中。硅光芯片作为目前最常见的芯片类型，其产业格局由多元化参与者组成，我们一窥其中。

  参与者声势浩大，普遍看好光芯片，他们也都为产业显著的增长和多样化做出了贡献。

  光子计算提供了一条超越摩尔定律的算力提升路径。如今光子芯片这一概念已不再陌生，关于光子芯片领域的新技术也频频涌现。

  2022年12月，上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系邹卫文教授团队就提出了光子学与计算科学交叉的创新思路，研制了实现高速张量卷积运算的新型光子张量处理芯片，相关成果以“基于集成光子芯片的高阶张量流式处理”为题发表在《自然》期刊上。

  2023年4月，清华大学的研究团队独创性地提出了一种分布式广度智能光计算架构，开发了名为“太极”的光子芯片，其能量效率高于当前的智能芯片数个数量级。这种技术在大场景智能分析和大模型训练等领域表现出极大的潜力。

  据悉，清华大学的“太极II”芯片已经展示了通过光学神经网络进行在线训练的可能性，该芯片能够在无需GPU的条件下实现高速数据处理。这一进展为光子芯片的实用化提供了希望。

  2024年2月29日，香港城市大学副教授王骋团队与香港中文大学研究人员合作相关研究成果在发表于《自然》，团队利用铌酸锂为平台，开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可运用光学进行超快模拟电子信号处理及运算。

  据悉，集成铌酸锂微波光子芯片不仅速度比传统电子处理器快1000倍，且具有超宽处理带宽和极高的计算精确度，能耗也更低。

  近期，IBM光子芯片新突破，实现下一代高速光互联技术，可以显著改善数据中心训练和运行生成式 AI 模型的方式，AI速度提升80倍。

  尽管共封装光学技术已存在了一段时间，但 IBM 已经创建了新的聚合物光波导 (PWG) 技术来为共封装光学技术提供动力。PWG 使芯片制造商能够在硅光子芯片的边缘添加六倍多的光纤。每根光纤的宽度约为人类头发的三倍，长度可从几厘米到几百米不等，每秒传输数兆兆位的数据。

  该公司表示，该技术意味着比当今采用电气技术的芯片间通信带宽快 80 倍，并且可将能耗降低 5 倍以上。

  它还可以将大型语言模型 (LLM) 的训练速度提高五倍，将训练标准 LLM 所需的时间从三个月缩短到三周，并且利用更大的模型和更多的 GPU 能大大的提升性能。

  一直以来，国内光子芯片行业面临中试平台缺位、工艺技术壁垒高、良品率验证低、产能转化不足、国外平台流片周期长等困境，严重制约了创新成果转化落地的“黄金期。”

  这标志着我国光子芯片正式步入产业化快车道，将突破原有的计算范式限制，为大规模智算带来新的想象空间。

  据无锡日报，中试平台总面积为1.7万平方米，集科研、生产、服务于一体，覆盖了薄膜铌酸锂光子芯片从光刻、薄膜沉积、刻蚀、湿法、切割、量测到封装的全闭环工艺。

  相关人员表示，中试线正式启用后，预计年产能达10000片晶圆，2025年第一季度将正式提供对外流片服务。

  芯辰半导体宣布，其外延设备已投产，覆盖砷化镓（GaAs）及磷化铟（InP）光芯片四元化合物全材料体系。

  据势能资本官微，芯辰半导体目前已实现波长范围760 nm~1700 nm外延片的量产，外延均匀性为激射中心波长外2 nm之内。其中典型波长的激光芯片外延片，如808、850、905、940、1064、1550、1654 nm，已在自主产线实现VCSEL或DFB芯片验证。

  此外，相关外延片已获客户长期合作订单，其中砷化镓外延片最大可支持6英寸晶圆、磷化铟外延片最大可支持4英寸晶圆，同时配套有相关晶圆质量检验设备。

  《光子时代：光子产业高质量发展白皮书》显示，西安光子产业集群已初具规模，初步形成了光子制造、光子信息、光子传感等产业集群，在特定关键核心技术等方面拥有较强的一马当先的优势。200余家光子技术企业集聚西安，培育孵化了炬光科技、莱特光电、中科微精、奇芯光电等一批国内光子领先企业。

  武汉则是全国较早进行光电子产业基地规划和布局的城市，是我国光子产业的领跑先锋和产业高地。武汉以“中国光谷”建设为引领，加快光子产业布局，光子产业主体总量突破19.1万户，建成了全球最大的光纤光缆产业基地，销量全球第一，光器件研发生产全国第一，通信系统设备研发位居全球第一方阵。

  苏州则被称为“中国光电缆之都”，形成了国内最为完整的光通信产业链和最具影响力的产业集群，在全国乃至国际上树起了苏州光通信的整体区域品牌。苏州将光子产业定为全市“1号产业工程”，出台“高光20条”，加速抢占光子产业“制高点”，拥有一批光子领域高企（高成长企业）、瞪羚（指创业后跨过死亡谷，以科学技术创新或商业模式创新为支撑进入高成长期的中小企业）、独角兽培育企业，其中，光子领域国家级高企数量达142家，形成了完善的企业梯次发展方阵。

  无锡是我国较早布局半导体产业的地区之一，被称为中国集成电路产业人才的“黄埔军校”。《白皮书》显示，2022年，无锡半导体产业规模居全国第二，其中封装测试和配套支撑位居全国第一，在光子芯片慢慢的变成为未来产业不可或缺的重要产品后，无锡紧抓新机遇，加快布局光子产业，出台“新光18条”，围绕硅光产业领域，打造光子芯片中试线，并在产业链上中下游积累了一批重大平台和有突出贡献的公司，同时积极向光传感、光计算、光通信等其他应用领域延伸。

  此外，北京作为中国首都和科学技术创新中心，拥有众多高校和研究机构，以及一批优秀的科技公司，为光子芯片的研发和产业化提供了良好的环境和资源。

  上海作为中国最大的城市之一和经济中心，也在光子芯片领域进行了大量的投入和研发，并已经取得了一定的成果。

  在产业政策以及当前AI的拉动下，光通信产业链从光电芯片及光器件光引擎到光模块都在向高速率方向快速升级，以硅光、CPO、薄膜铌酸锂等为代表的新技术研发加速，有望成为AI算力链着重关注的方向。

  根据 ICC 数据，2019-2024 年，中国光芯片厂商销售规模占全球光芯片市场的比例不断的提高。我国光芯片企业已基本掌握 2.5G 及以下速率光芯片的核心技术，根据 ICC 数据，2021 年2.5G 国产光芯片占全球比重超过 90%；10G 光芯片占全球比重约 60%。

  其中部分 10G 光芯片如10G VCSEL/EML 激光器芯片产品性能要求比较高、难度较大，国产化率不到40%。

  25G 及以上光芯片方面，随着 5G 建设推进，我国光芯片厂商在应用于5G 基站前传光模块的 25G DFB 激光器芯片有所突破，数据中心市场光模块公司开始使用国产厂商的 25G DFB 激光器芯片，2021 年25G 光芯片的国产化率约 20%，但25G 以上光芯片的国产化率仍较低约 5%，仍以海外光芯片厂商为主。

  AI是光模块的机遇，AI 算力军备竞赛，下游数通光模块需求旺盛，上游光器件迎重要增长机遇。据产业研究中心预计，在 AI 带动高速率光芯片持续需求下，2024 年全球光芯片市场增速有望超 50%。

  供给端，海外高速光芯片厂商扩产较慢产生供需缺口，中国高速光芯片企业迎来切入供应链的关键发展窗口期。

  与此同时，随着中美半导体脱钩趋势加剧，美国对中国从设备、人才、技术、资本等多维度围堵中国半导体产业，国产替代也需求迫切。

  军备竞赛背景下光模块公司出货量持续高增，市场规模保持快速地增长。受海内外云厂商等对于 AI 方面投入持续增加，2024 年中际旭创、新易盛等头部光模块公司营收利润保持翻倍以上同比增长，市场规模持续攀升。

  硅光子产业链不断成熟，高速率场景下优势凸显，渗透率有望快速提升。目前硅光模块市场中，中国厂商份额相对较少，国内的中际旭创、新易盛、光迅科技、光库科技、博创科技、铭普光磁、华工科技、亨通光电、熹联光芯等是主要参与厂商。

  同时，实现光子芯片的商用化还需克服技术与成本的多重挑战。如光芯片产业链未形成成熟分工，制造环节工艺壁垒极高，可靠性与交付能力等问题。

  一旦这一些难题得到解决，光子芯片的广泛应用将不仅意味着技术的突破，更有可能深刻改变人类未来生活的方方面面。

  我们期待国产光芯片发展势如破竹，引领全球技术创新新篇章。返回搜狐，查看更加多