光芯片計算能力與日俱增，算力瓶頸有望被光芯片“終結”

“20倍、50倍、100倍、1000倍、3000倍、10000倍...”，光芯片在計算方面超越硅芯片的速度與日俱增。

近幾十年以來，微電子技術與電子芯片產業遵循著摩爾定律不斷發展，隨著傳統制程工藝逼近極限，電子芯片在進一步提升計算速度和降低功耗方面的技術突破，面臨難以解決的瓶頸。

在后摩爾時代，光芯片這一顛覆性技術被視為破局的關鍵。

尤其是當前對算力的需求來看，隨著AI的爆發，在未來10年中，增長越來越緩慢的電子芯片，難以匹配增長越來越快的數據需求。

由此，光芯片進入了人們的視野。


超高速微波光子學芯片研發成功

據中國科學報，日前，香港城市大學副教授王騁團隊與香港中文大學研究人員合作，利用鈮酸鋰為平臺，開發出處理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可運用光學進行超快模擬電子信號處理及運算。相關研究成果在2月29日發表于《自然》。

據介紹，該芯片不僅在速度上比傳統電子處理器快出1000倍，而且能耗更低。其廣泛的應用領域涵蓋了5G/6G無線通信系統、人工智能、計算機視覺以及圖像/視頻處理等多個方面。

王騁教授表示，低能耗對于人工智能領域有著重大意義。越來越多的人工智能產品問世，產品更新迭代速度加快，人工智能模型所具備的規模越來越大、復雜度越來越高。隨之而來的是能量消耗問題日益凸顯。

為了解決這些難題，王騁團隊將超快電光轉換模塊與低損耗、多功能信號處理模塊同時放置在一塊芯片上，組成集成微波光子系統；而能實現卓越效能的原因是負責集成的薄膜鈮酸鋰平臺。

該集成鈮酸鋰微波光子芯片不僅速度比傳統電子處理器快1000倍，具有67吉赫茲的超寬處理帶寬和極高的計算精確度，而且它的能耗更低。以處理一個250×250像素的圖片為例，集成鈮酸鋰微波光子芯片僅需要3納焦的能耗就能完成對圖片邊緣信息的提取，而傳統的電子芯片若要執行相同的任務，則需要幾百甚至上千納焦的能耗。


為什么是光芯片

在一個信息爆炸的時代，數據如同洪流般洶涌而來。為了應對這一挑戰，科技界不斷在集成電路領域尋求突破。然而，傳統的電子集成電路在帶寬與能耗等方面已逐漸接近極限，“摩爾定律”仿佛一條道路越走越窄，急需尋找新的出路。

想象一下，當電子集成電路的金屬導線變得越來越細，間距不斷縮小，它們之間的電阻和歐姆損耗不斷增加，就像是一個疲憊的馬拉松跑者，背負著越來越重的負擔。同時，金屬導線間的電容增大，串擾加劇，嚴重影響了芯片的高頻性能。

這就像是在一個喧囂的城市中，車輛之間的干擾導致交通擁堵，信息傳遞受到阻礙。

正當電子集成電路面臨困境時，光子芯片如同一束耀眼的光芒照亮了前行的道路。它采用頻率更高的光波作為信息載體，展現出更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲以及更強的抗電磁干擾能力。這就像是將信息的高速公路從地面抬升到空中，讓數據在光速的軌道上自由馳騁。

不僅如此，光互連技術還通過波分復用、模分互用等方式提高了傳輸媒質內的通信容量。這就好比在一條高速公路上開辟了多個車道，讓數據的流量得到成倍的提升。

因此，建立在集成光路基礎上的片上光互連被視為克服電子傳輸瓶頸的極具潛力的技術。

光子芯片依托于集成光學或硅基光電子學中的介質光波導來傳輸導模光信號，將光信號和電信號的調制、傳輸、解調等集成在同一塊襯底或芯片上。這種高度集成化的設計讓光子芯片在數據傳輸和處理方面展現出無與倫比的優勢。

光芯片主要用于光電信號轉換，遵循“Chip-OSA-Transceiver”的封裝順序。在光通信系統中，核心光芯片如DFB、EML、VCSEL等類型的應用場景各不相同，但它們共同支撐著光通信的快速發展。

近年來，全球各大研究機構紛紛在光子芯片領域取得突破性進展。從2015年美國加州大學伯克利分校報道的第一個在硅基片上集成的光電子系統，到2018年美國麻省理工學院將850個光子器件和7000萬個晶體管等電子器件集成在同一個光電子系統中，再到2021年加拿大和美國團隊報道的可編程多光子量子芯片，每一次突破都在推動著光子芯片技術的飛速發展。

然而，現階段的光子集成電路仍面臨著元器件尺寸較大、效率較低、功能單一等挑戰。這主要是因為傳統光波導在結構和材料等方面存在局限性。為了克服這些難題，研究者們不斷探索新的結構和材料，以期在光子芯片領域實現更大的突破。

從以色列研究團隊通過添加刻槽結構實現集成化的模式轉換器，到美國哥倫比亞大學學者利用超構波導實現氮化硅波導的非對稱傳播，再到中國清華大學和美國麻省理工學院研究團隊利用超構波導平臺實現多功能的集成化波導耦合器等設計，每一次創新都在為光子芯片的發展注入新的活力。

隨著5G、物聯網、云計算等技術的不斷普及和發展，對數據傳輸速度和處理能力的需求將呈指數級增長。而光子芯片以其獨特的優勢，正成為滿足這一需求的關鍵技術之一。

展望未來，光子芯片將在光通信、光計算、光傳感等領域發揮越來越重要的作用。它將以光速傳遞信息，打破電子傳輸的瓶頸限制，真正超越“摩爾定律”。


10G以下實現國產替代

25G及以上仍被海外壟斷

我國光芯片企業已基本掌握 10G 及以下速率光芯片的核心技術。2.5G光芯片主要應用于光纖接入市場，產品技術成熟，國產化程度高，國外光芯片廠商由于成本競爭等因素已基本退出相關市場。10G 光芯片在光纖接入市場、移動通信網絡市場和數據中心市場均有應用。其中，10G1270nm DFB 激光器芯片主要用于 10G-PON 數據上傳光模塊，10G 1310 光芯片主要應用于4G移動通信網絡，國內互聯網公司目前主要使用40G/100G 光模塊并開始向更高速率模塊過渡，其中 40G 光模塊使用4顆10G DFB 激光器芯片的方案。

2.5G 及以下光芯片市場中，國內光芯片企業占據主要市場份額。2.5G 及以下光芯片市場中，國內光芯片企業已經占據主要市場份額，其中武漢敏芯和中科光芯在全球2.5G及其以下的FP/DFB激光器芯片市場份額均為17%，并列榜首。同時，我國光芯片企業已基本掌握 10G 光芯片的核心技術，但部分型號產品仍存在較高技術門檻，依賴進口。根據 ICC 統計，2021 年全球 10G DFB 激光器芯片市場中，源杰科技發貨量占比為 20%，位居第一，已超過住友電工、三菱電機等海外企業。

高速率光芯片市場的增長速度將遠高于中低速率光芯片。在對高速傳輸需求不斷提升背景下，25G 及以上高速率光芯片市場增長迅速。根據Omdia對數據中心和電信場景激光器芯片的預測，2019 年至 2025 年，25G以上速率光模塊所使用的光芯片規模逐漸擴大，整體市場空間將從13.6億美元增長至 43.4億美元，CAGR將達到21.4%。

25G 以上高速光芯片國產化率仍較低。根據 ICC預測，2021年2.5G速率國產光芯片占全球比重超過 90%；10G 光芯片方面，2021 年國產光芯片占全球比重約 60%，但不同光芯片的國產化情況存在一定差異， 部分10G光芯片產品性能要求較高、難度較大，如10G VCSEL/EML激光器芯片等，國產化率不到40%；25G及以上光芯片方面，隨著5G建設推進，我國光芯片廠商在應用于5G基站前傳光模塊的25G DFB激光器芯片有所突破，數據中心市場光模塊企業開始逐步使用國產廠商的25G DFB激光器芯片，2021年25G光芯片的國產化率約20%，但25G以上光芯片的國產化率仍較低約5%，目前仍以海外光芯片廠商為主。


未來技術方向

（1）硅光技術

傳統光模塊：可調制、接收光信號，包含光發射組件、光接受組件、光芯片等器件，在磷化銦基底上利用封裝技術進行集成。

硅光光模塊：采用硅光子技術的光模塊。硅光技術是在硅和硅基襯底材料（如Si,SiGe,SOI等）上，利用CMOS工藝進行光器件開發和集成的新一代技術，其核心理念用激光束代替電子信號進行數據傳輸。逐漸從光子集成向光電集成發展，目前通信領域主要是光子集成的硅光模塊。

硅光模塊最大特點高度集成。硅光芯片通過硅晶圓技術，在硅基上制備調制器、接收器等器件，從而實現調制器、接收器、無源光學器件的高度集成。

與傳統光模塊相比，硅光模塊存在成本低、工藝精度高、產業鏈成熟三大優勢。成本低：硅光芯片的襯底價格更低，其中Si襯底價格最低，為0.2$/2，而InP襯底價格為4.55$/2，是Si襯底價格的20多倍。在功能晶圓價格方面，硅光芯片價格下降更為明顯。另外，傳統InP光模塊由于良率低、固定開支成本等原因導致其成本進一步上升。工藝精度高、良率高：硅光芯片工藝精度可達65-250nm，傳統光模塊工藝精度最多達到300nm。硅光芯片良率大于80%，而傳統光芯片良率不足40%。產業鏈成熟：硅光模塊可使用目前較為成熟的CMOS集成電路產業，量大成本低。


（2）薄膜鈮酸鋰

鈮酸鋰材料主要用于制作電光調制器，電光調制器可以將電信號轉化為光信號，并在光信號傳輸中實現信號的調制，其他傳統的電光調制器還包括硅基電光調制器和磷化銦（InP）電光調制器，其中鈮酸鋰性能優勢最為顯著，并在光通信等領域已被廣泛的應用和驗證。然而，鈮酸鋰電光調制器存在尺寸大、難以集成和驅動電壓高等缺點，薄膜鈮酸鋰便可以很好的解決這些缺點，通過將鈮酸鋰體材料薄膜化并鍵合到硅襯底上制備出絕緣體上薄膜鈮酸鋰（LNOI）材料，即通過“離子切片”的方式，從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出鈮酸鋰薄膜，并鍵合到帶有二氧化硅緩沖層的硅晶片上。相比之下，薄膜鈮酸鋰調制器的尺寸更小，帶寬更高，而薄膜鈮酸鋰材料也有望使用于大規模的光子集成。