雖然在十幾年前，我們生活的這個(gè)地球就已經(jīng)被互聯(lián)網(wǎng)和發(fā)達(dá)的國(guó)際交通運(yùn)輸拉近了距離，變成“地球村”，但這幾年發(fā)生的一件件事情，都告訴我們一個(gè)道理：
談判時(shí)說(shuō)得再好的貿(mào)易協(xié)議，在自身實(shí)力有隙可乘時(shí)還是會(huì)變成一紙空文。最好的方式，就是盡量減少自身的弱點(diǎn)。而被“卡脖子”的芯片，就是我國(guó)目前的弱點(diǎn)之一。
小黑在之前的文章《告別“卡脖子”，國(guó)產(chǎn)芯片還有哪些不足需要彌補(bǔ)？》中，對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片在各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)還有哪些不足之處做過(guò)一些介紹，芯片熱也在國(guó)內(nèi)不斷發(fā)酵。
而在最近，又傳出了可以讓國(guó)產(chǎn)芯告別“卡脖子”的新事物：光子芯片。這是個(gè)啥？和我們現(xiàn)在用的芯片有什么不一樣，它真的能讓國(guó)產(chǎn)芯做大做強(qiáng)嗎？
蘋果、高通擠牙膏，或許真不能怪他們
說(shuō)到光子芯片，或許有許多小伙伴都不太了解。說(shuō)實(shí)話，在查閱資料之前，小黑對(duì)它也只是有個(gè)初步的概念。
不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革的往往就是一些新生事物，光子芯片就屬于這個(gè)范疇。
不過(guò)，要想知道光子芯片能不能幫助國(guó)產(chǎn)芯站起來(lái)，我們首先還是要知道光子芯片是什么。
我們現(xiàn)在提起的芯片，說(shuō)的主要是以硅為基底，通過(guò)電路計(jì)算的芯片形式。在不同場(chǎng)合下，還會(huì)有“集成電路”“電子芯片”等不同稱呼。
從原理上來(lái)說(shuō)，硅基芯片是以電子為載體來(lái)進(jìn)行信息的生成、處理和傳輸?shù)模覀兪熘木w管則是控制可變電流的開(kāi)關(guān)。
正因如此，單位空間內(nèi)能容納晶體管的數(shù)量越多，芯片的計(jì)算能力就越強(qiáng)，這也是我們常常可以看到手機(jī)廠商們?cè)诎l(fā)布會(huì)上，用晶體管數(shù)量作為SoC處理器性能的一項(xiàng)指標(biāo)的原因。
但硅基芯片的發(fā)展在理論上是有其物理極限的。由于硅原子的直徑大約為0．22納米，當(dāng)制程工藝發(fā)展到7nm以下時(shí)，電涌、電子擊穿等問(wèn)題出現(xiàn)的幾率就會(huì)不斷升高，更是有“功耗墻”“存儲(chǔ)墻”這兩個(gè)難題難以解決。
另外，先進(jìn)制程面臨的良品率下降、研發(fā)生產(chǎn)成本上升、芯片發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題，也與制程工藝逐漸逼近物理極限有關(guān)。
目前，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為硅基芯片的制程工藝最多到2030年就會(huì)到達(dá)物理極限，因此，芯片行業(yè)開(kāi)始寄希望于潛力巨大的光子芯片。
更快、更高、更強(qiáng)的光子芯片
其實(shí)，光子芯片并不是一件新鮮事物。早在1969年，集成光學(xué)，也稱積體光學(xué)的概念就已被提出。到了上世紀(jì)80年代，光子芯片也開(kāi)始了相應(yīng)的研究，并且由于物理特性，光子芯片比電子芯片有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
在前文中小黑提到，電子芯片是以電子為載體進(jìn)行計(jì)算的，同理可知，光子芯片則是以光子為載體實(shí)現(xiàn)計(jì)算的。
相比電子芯片，光子芯片的性能幾乎在每個(gè)方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。
在傳輸速度上，光子脈沖的信息速率可以達(dá)到幾十TB／s，從而使“存儲(chǔ)墻”的問(wèn)題不復(fù)存在。
而在能耗方面，根據(jù)推算，光子元器件的能耗僅有電子元器件的千分之一。有數(shù)據(jù)指出，根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)五年以集成電路為基礎(chǔ)的數(shù)字產(chǎn)業(yè)可能會(huì)消耗全球每年電力供應(yīng)的20％，而光子元器件的發(fā)展，就可以大幅緩解能源壓力。
除此之外，目前讓相關(guān)廠商和消費(fèi)者都十分頭痛的芯片發(fā)熱等問(wèn)題，在光子芯片上同樣不會(huì)出現(xiàn)。
可以說(shuō)，從理論上來(lái)看，光子芯片確實(shí)是數(shù)字產(chǎn)業(yè)的未來(lái)。
那么問(wèn)題就來(lái)了，光子芯片開(kāi)始研究的時(shí)間與電子芯片相差無(wú)幾，為何電子芯片如今一騎絕塵，成為芯片領(lǐng)域的絕對(duì)主流呢？
答案其實(shí)很簡(jiǎn)單：相比相對(duì)“乖巧”的電子，光子的“性格”更難以把控。為了讓光子芯片早日成為現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家們一直在研發(fā)可以替代電晶體管功能元器件，但始終無(wú)法在準(zhǔn)確控制光信號(hào)的同時(shí)縮小元器件的體積。這樣一來(lái)，電子芯片自然就成為市場(chǎng)的主流了。
不過(guò)，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，近幾年來(lái)，各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也都加大了對(duì)光子芯片的投入，也取得了不少突破。因此，對(duì)光子芯片的未來(lái)，小黑還是抱有希望的。
彎道超車，讓光子芯片被寄予厚望
這幾天，北京日?qǐng)?bào)發(fā)布了一則新聞：國(guó)內(nèi)首條“多材料、跨尺寸”的光子芯片生產(chǎn)線已在籌備當(dāng)中，預(yù)計(jì)將于2023年在北京建成。
從概念上來(lái)說(shuō)，光子芯片主要有兩種：光量子芯片和硅光芯片。不過(guò)，由于理論、技術(shù)等方面的原因，前者目前還停留在紙面上，國(guó)內(nèi)正在籌備的這條光子芯片生產(chǎn)線，從介紹來(lái)看也屬于硅光芯片的生產(chǎn)線。
與純光子芯片不同，硅光芯片采用的是光電混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在計(jì)算時(shí)，所有的指令、編譯、軟件都會(huì)先加載到電子芯片上進(jìn)行處理，之后通過(guò)光信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，最后輸出的依然還是電信號(hào)。
而在另一個(gè)方面，早在2016年，英特爾就已經(jīng)成功推出了硅光子光學(xué)收發(fā)器。在之后的幾年里，英特爾的相關(guān)產(chǎn)品不斷推陳出新，并已在研發(fā)更加先進(jìn)的光電共封技術(shù)。
除此之外，Ayar Labs、思科等廠商，也已在硅光芯片領(lǐng)域有所成績(jī)。
既然國(guó)外廠商已經(jīng)在硅光芯片領(lǐng)域有所收獲，那么問(wèn)題來(lái)了，在北京籌備、明年建成的光子芯片生產(chǎn)線又如何能夠?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”呢？
關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，小黑可以從兩個(gè)方面來(lái)回答。
首先，我國(guó)的硅光芯片研究起步并不晚。工信部2017年底發(fā)布的《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018—2022 年）》就已對(duì)國(guó)產(chǎn)光電子芯片的發(fā)展提出了要求。而在同一年，國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心也在武漢開(kāi)始建設(shè)。
▲國(guó)內(nèi)首款硅光互連芯片
到了2018年年中，可商用的硅光收發(fā)芯片就已正式投產(chǎn)。可以說(shuō)，在起步階段，我們并沒(méi)有落后太多。
其次，根據(jù)相關(guān)資料表明，硅光芯片在生產(chǎn)制造上，對(duì)國(guó)外“卡脖子”技術(shù)的依賴相比電子芯片要有所減少。特別是由于光子芯片側(cè)重的主要是外延設(shè)計(jì)和制備環(huán)節(jié)，先進(jìn)制程的重要性就大幅降低。因此，國(guó)產(chǎn)光子芯片的主要廠商也都選擇了能把控整個(gè)設(shè)計(jì)制造流程的IDM模式。
當(dāng)然，即便對(duì)高端光刻機(jī)沒(méi)有高需求，但晶圓在硅光芯片的生產(chǎn)中依然不可或缺，如何在這一點(diǎn)上告別“卡脖子”，依然需要相關(guān)企業(yè)不斷努力。
一方面是起步不晚的研發(fā)工作，一方面是不再依賴先進(jìn)制程工藝，再加上光子芯片在性能上更為優(yōu)秀，通過(guò)光子芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)彎道超車，自然是再合適不過(guò)了。
不過(guò)，硅光芯片的研發(fā)目前仍處在起步階段，要在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)上大規(guī)模普及，還需要很長(zhǎng)一段路程要走。小黑當(dāng)然希望我國(guó)的光子芯片研發(fā)，乃至整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)發(fā)展，都能達(dá)到世界先進(jìn)水平。
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