幾十年來，英特爾聯合創始人戈登·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則，某種程度上也被看作科技行業的前進預言。

然而，自從1958年仙童半導體公司發明集成電路后，以硅為基礎的電子芯片已經發展了幾十年。

如今，電子芯片的承載能力已經逼近了物理理論的極限。

光子芯片的出現，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勢

“光子芯片簡單說就是利用光信號進行數據獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。”中科創星董事總經理張思申向科技日報記者解釋，相對于電子驅動的集成電路，光子芯片的獨特優勢十分明顯。未來，無論是互聯網、5G還是物聯網領域，在基礎設施方面都離不開光纖和光學器件。

據張思申介紹，相比傳統的電子芯片，光子芯片有很多優勢，主要表現為高速率和低功耗。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百倍。

另外，光具有天然的并行處理能力以及成熟的波分復用技術，從而使光子芯片的數據處理能力、容量及帶寬均大幅度提升;光波的頻率、波長、偏振態和相位等信息可以代表不同的數據，且光路在交叉傳輸時互不干擾。這些特性使得光子擅長做并行運算，與多數計算過程花在“矩陣乘法”上的人工神經網絡相契合。

“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體工藝來制造，形成光波導等無源器件。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計架構思路，徹底顛覆原有的設計理念，有更多的設計創意空間。光子芯片可以與三五族化合物半導體形成的發光器件封裝在一起來實現光電集成。未來將過渡到異質集成，實現真正的光電集成芯片。

人工智能時代的基礎設施

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，電子芯片負責邏輯運算，讀取傳輸由光波導來實現。而在未來的光計算系統中，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包括線性計算、數據傳輸、內存讀取等在內的這些相對耗時的操作。

“光子芯片是人工智能時代的基礎設施，可以廣泛應用于高速傳輸、遠距離感知、人工智能計算處理領域。”張思申說。

他舉例說明：在5G通信領域，光通信已經得到了相當廣泛的應用，現在的云計算和數據中心中，已經大量采用了基于光子芯片的光收發模塊，谷歌現在已經是全球最大的光器件采購商。在人工智能領域，光子芯片是一種光計算架構與人工智能算法高度匹配的芯片設計，可應用于自動駕駛、安防監控、語音識別、圖像識別、醫療診斷、虛擬現實等關鍵人工智能領域，并已經得到了實際應用。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網絡構架下處理數據，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，以及國內的一些企業和研究院所都在研發光CPU。“不過，硅基光電子產品的大規模商用還需時日，光計算市場還需要時間培育。”他坦言。

此外，在光感知方面，基于光子技術的激光雷達是當下的熱點技術和應用方向，特別是在無人駕駛行業的應用，推動了行業的發展。在生物醫藥、納米器件等的內部結構實現高分辨無損檢測的新型計算顯微關聯成像裝備中，光子芯片均可以發揮其高速并行、低功耗、微型化的優勢。

在空間激光通信領域，光子芯片是解決目前空間傳輸速率瓶頸問題的主要技術手段，另外還有星間互聯網、6G通信、智能遙感測繪等國家戰略安全和戰略需求領域，而這些都是需要對大數據進行高速、低功耗、實時處理的。光子芯片在這些國家戰略領域將起到非常重要的支撐作用。

電子芯片仍占主導地位

盡管光子芯片的優勢明顯，但張思申直言，目前在芯片領域，電子芯片仍占據主導地位。特別是存儲領域，仍是電存儲芯片的天下，光存儲還未實現量產突破。在傳輸相關領域，如光通訊上，光子芯片已經被大量使用，占主要地位。在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電集成的結合，還需要很長一段時間逐步替代，才能實現全光計算。“總體來說，目前只在個別計算和傳輸領域，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前芯片發展的關鍵問題。“實際上我們可以看到，很多實現量產的高端光子芯片來自海外，這一現狀需要我們國內的光子芯片企業不斷努力，提高產品性能，提高國產化率。”張思申說。

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

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布局光子芯片產業 各國均在路上

目前，全球多個國家出臺政策，扶持光子產業發展。國外領先的半導體企業也都紛紛在光子芯片領域重金投入，以求在未來的競爭中占據主動地位。

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

國內的華為、光迅、海信等公司都在光子芯片領域進行了布局。據張思申介紹，目前在光通訊中低端光子芯片領域我們實現自主供貨，高端光子芯片也逐步走向成熟。近幾年國內也出現了一些優秀的光子芯片初創公司，如陜西源杰半導體在國產激光芯片領域實現大規模量產，打破了國外壟斷;曦智科技2019年4月發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產品。

關鍵詞： 光子芯片