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瞭望丨光子芯片能否让中国“换道超车”

第四届进博会技术装备展区集成电路专区现场(2021年11月5日摄) 张建松摄 / 本刊 ◇信息时代的基础设施是电子芯片(集成电路),人工智能时代将更多地依托光子芯片(集成光路),光…

第四届进博会技术装备展区集成电路专区现场(2021年11月5日摄) 张建松摄 / 本刊

◇信息时代的基础设施是电子芯片(集成电路),人工智能时代将更多地依托光子芯片(集成光路),光子芯片是未来新一代信息产业的基础设施和核心支撑

◇光子对电子并不是替代关系,准确地讲光子产业是对电子产业的升级,能够催生新的产业

◇现在是否应全面布局人工智能时代的基础设施,大力发展培育光子芯片,引领未来的“消费光子时代”?

◇随着国内相关技术的快速发展,中外差距正日益缩小,且我国在局部已具有领先优势

随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”,其进一步提升的难度与时间成本都非常之高。在面向“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术里,光子芯片已进入人们的视野。其所具有的高速度、低能耗、工艺技术相对成熟等优势,能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈,满足新一轮科技革命中人工智能、物联网云计算等产业对信息获取、传输、计算、存储、显示的技术需求。也因之国际巨头正投入大量资源进行研发,目前已对传统芯片形成部分替代,并在5G通信、大数据中心等领域开拓了大量新应用。

对我国而言,既要在传统赛道电子芯片领域尽快补短板,也要尽早在光子芯片等新赛道布局发力。双管齐下,抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇,努力争取实现“非对称赶超”。

光子学是与电子学平行的科学

芯片是人类信息技术史上的一次变革性突破。从石器时代的壁画、岩画,到农业时代的竹简、活字印刷术,再到工业时代的电话、电报、电视,人类信息生成、传输、处理、存储等载体发生了多次变革。从本质上讲,芯片就是通过利用半导体材料的物理特性来实现对承载信息的微观粒子(电子或光子等)的操控,进而实现信息生成、传输、处理、存储等的一种关键技术。

电子芯片是利用电子来生成、处理和传输信息的,光子芯片则是利用光子来生成、处理、传输并显示信息的。

自19世纪末、20世纪初物理学发现电子以来,人类开辟了电子技术的新时代。通过在半导体材料上对电子进行操控,人类实现了通过电子来生成、处理和传输信息,实现了信息技术的跨越式发展。从首个电子管被制造出来,到晶体管诞生,半导体技术不断发展。直到集成电路被发明出来,电子芯片成为现代信息技术的基石,推动人类社会进入了微电子科技时代。电子芯片诞生以来,经过六七十年的发展,围绕它已形成一个成熟、庞大的产业体系,带动了信息产业、软件行业和消费电子产业的高速发展,催生了CPU、操作系统、PC手机、笔记本电脑等数万亿的产值以及下游互联网、人工智能等应用领域几十万亿的产值。

光子学是与电子学平行的科学。科学家普遍认为,光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息。荷兰科学家最早提出“以光子作为信息载体和能量载体的科学”。中国科学院西安光机所首任所长龚祖同院士(学部委员)在1978年9月召开的第二届全国高速摄影会议的发言中提到,激光问世以后,与其联系着的光子学逐步成长。1979年,钱学森教授在《中国激光》上著文,首次提出“光子学、光子技术和光子工业”的构想,并认为以集成光路为核心的光子计算机的运算能力可以超过电子计算机百倍、千倍乃至万倍。

电子学有四个基本要素,分别是作为载体的电子、作为传输介质的电缆和电路、发电机和晶体管。与之对应,在光子学中信息载体是光子,传输介质是光波波导和光纤,激光发射器好比发电机,光电调制元件相当于电子开关和电子晶体管。

从发展路线来看,电是从电学开始到电子学,再到电子回路、电子集成、电子系统、电子工程,最后到电子产业。光是从光学开始到光子学、光子回路、光子集成、光子系统、光子工程,最后到光子产业。根据底层的科学逻辑可以判断,人类一定会进入微光子学时代,利用微光子技术进行元器件的大规模集成必定会实现。

 光子芯片是否会替代电子芯片

在电子芯片发展已有六七十年、产业已经很成熟的情况下,为什么要发展光子芯片?

一是以电子为载体的技术发展已趋近物理极限。当下集成电路是以硅为基础材料的,硅原子的直径约为0.22纳米,当制程降至7纳米以下时,极易出现电涌和电子击穿问题,也就是已经很难完美地控制电子了。虽然代表全球最顶尖水平的台积电仍然在不断地进行3纳米及2纳米的技术研发及产能投资,但业内人士普遍认为集成电路的尺寸微缩最多到2030年就会达到物理极限,亟需寻找创新发展的出路。

二是电子芯片尺寸降到极致时会出现“功耗墙”难题。比如,巨大的耗能压力就是计算机发展的最大技术障碍之一。虽然国内外学术界和工业界进行了大量努力,但由于CMOS半导体功耗密度已接近极限,所以必须寻找新途径、新结构、新材料。

三是过去几十年中处理器的性能以每年约55%的速度提升,而内存性能的提升速度约为每年10%,长期累积下来,不平衡的发展速度造成了当前内存的存取速度严重滞后于处理器的计算速度,访存瓶颈导致高性能处理器难以发挥出应有的功效。简单来讲,就是大量信息存储不过来、计算不过来。

四是电子芯片性能提升的同时,性价比在降低。业界普遍认为,28纳米是芯片性价比最高的尺寸。根据SEMI国际半导体产业协会的芯片主流设计成本模型图,采用FinFET工艺的5纳米芯片设计成本已是28纳米工艺设计成本的近8倍,更复杂的GAA结构的设计成本只会更高,这仅是芯片设计、制造、封装、测试中的设计环节。制造环节的晶圆代工厂的研发、建厂、购买生产设备耗费的资会更多,比如三星美国得克萨斯州计划新建的5纳米晶圆厂预计投资高达170亿美元。

那么,光子芯片能够解决电子芯片解决不了的难题吗?

有物理基础的人应该知道,电子是费米子,是有质量的物质,所以在传输信号时会因为质量的惯性产生较多的能量损耗;光是玻色子,是物质之间的相互作用力,静止质量为零,传输信号时能量损耗小。

与电子相比,光子作为信息载体具有先天的优势:超高速度、超强的并行性、超高带宽、超低损耗。

一是在传输信息时光子具有极快的响应时间。光子脉冲可以达到fs量级(飞秒量级),信息速率可以达到几十个Tb/s,性能能够提升数百倍。二是光子具有极高的信息容量,比电子高3~4个量级。采用光交互系统的新型使能技术可以实现低交换延迟和高传输带宽。三是光子具有极强的存储和计算能力,能以光速进行超低能耗运算。四是光子具有极强的并行和互连能力。光子是玻色子,不同波长的光可用于多路同时通信。五是光子具有超低的能耗表现。1bit信息的能耗,光子器件比电子器件低3个数量级,仅为电子器件的千分之一。

如今,科学家们的期望,就是能够像芯片控制电子那样可靠地控制光子,以获得更好的性能。

以能耗的视角来看,目前以集成电路为基础的数字产业能耗与日俱增,据测算未来五年它可能会发展至消耗掉全球20%的电力供应。如果没有技术变革或突破,未来人类极有可能要在信息数据和能源之间做出选择。而以光子芯片为基础的技术路线,理论上有望将数字产业能耗降低至电子芯片的千分之一。因此,发展更为节能的光子技术,也是实现碳中和目标的关键一环。

同时,光子技术的应用并不局限于芯片,其发展还可能推动人类更好地利用最大的“光子发射器”——太阳,以进一步挖掘能源领域的潜力。

根据底层的科学逻辑,可以预见光子学、光子技术、光子产业将和电子学、电子技术、电子产业一样高速发展。值得注意的是,虽然光子和电子相比有上述提及的优势,但从产业发展角度来看,光子对电子并不是替代关系,准确地讲光子产业是对电子产业的升级,能够催生新的产业。

光子能够对现有的电子芯片性能进行大幅度提升,解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题。更为重要的是,过去电子芯片主要应用于计算和存储领域,而光子芯片可以在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储及信息显示等领域催生众多新的应用场景。

在信息获取方面,激光雷达、光传感将在人工智能、自动驾驶、物联网等领域形成新的应用场景。在信息传输方面,形成了5G、光通信、量子通信等为代表的应用场景,产业规模巨大。在信息处理方面,形成了光子计算、量子计算等应用场景,未来将大幅度提升计算机性能。在信息存储方面,5D激光存储、光收发模块等将形成云计算与大数据中心等新的应用场景。在信息显示方面,将形成VR、AR及microLED等新的信息显示应用场景。此外,光子芯片在生命健康、超导材料以及国防装备等方面,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。

可以说,信息时代的基础设施是电子芯片,人工智能时代将更多地依托光子芯片,光子芯片是未来新一代信息产业的基础设施和核心支撑。

光子芯片是中国的重大战略机遇

科技发展史印证了一个事实:谁能抓住一个时代的革命性技术,谁就能够成为一个时代的领航者。英国利用机械革命实现了对古代中国的超越,美国利用电子技术实现了对英国的超越。中国要实现新的超越,应抓住光子技术革命的重要机遇。

一轮科技革命红利扩散的周期大约为60年。从20世纪60年代开始,集成电路作为革命性技术推动了信息化的发展,到现在已经过去了60年,开始进入科技红利扩散的衰退期。2008年以美国次贷危机为代表的全球经济衰退,本质上就是上一轮科技革命推动力衰退的体现。

当下全球经济发展急需新一轮科技革命的驱动。作为集成电路的“非对称性”技术,光子芯片有望成为信息领域新的底层技术支撑。

目前,全球光子芯片产业刚刚起步,作为独立于电子集成技术的新集成技术,其技术壁垒还没有形成,这为我国光子芯片提供了足够的研发时间与市场空间,也为我国信息产业发展提供了巨大的机会。

近年来,我国在光子集成方面取得了一定的进展,着眼于光子集成技术实施了一系列重大研究计划,包括973、863、国家自然科学基金重大项目等。虽然过去国内在相关技术领域处于落后状态,但随着研究基础的加强及技术人员的不懈努力,目前国内已经具备了光子集成芯片研究条件,并且拥有巨大的光子芯片市场前景。

芯片由电到光的转换,是我国实现赶超的战略机遇。

在基础理论方面,中国与美国基本处于同一水平。现代光学理论源于爱因斯坦的原子辐射研究,基于爱因斯坦的研究设想,美国科学家于1960年发明了世界上第一台红宝石激光器。1961年,中国科学院长春光机所就研制出了中国第一台红宝石激光器。自现代光学产生以来,我国始终保持着持续的投入和研究,在基础理论研究方面一直与美国齐头并进。

在技术方面,中外各有优势。比如,在光子集成技术研究方面,我国中科院西安光机所、中科院微电子所、中科院半导体所、上海微系统所和上海交大、清华大学、浙江大学、华中科技大学等都进行了长期研究,国家针对光子集成技术也实施了一系列重大研究计划,在光子集成技术方面取得了很大的成就。目前世界上最高的光子集成规模为2014年实现的单片集成超过1700个功能器件。我国2016年启动的B类先导专项——大规模光子集成芯片致力于开发集成器件大于2000的大规模光子集成芯片,并最终实现了15408个器件的大规模集成,集成规模世界领先。在光子芯片设计水平方面,我国处于世界一流水平。曦智科技设计出了全球首款光子计算芯片原型板卡,最新的单个芯片可集成12000个光子元器件,一些算法的实测性能已超过英伟达gpu的100倍,在光子计算领域领先国外。洛微科技发布了目前集成度最高的多通道FMCW激光雷达SoC光子芯片,单个芯片上可集成3000多个光子元器件。

在产业化方面,全球还处于起步孕育期,产业生态尚未形成,美国仅具有微弱优势。美国于2004年首次实现大规模光子集成,2017年下半年英特尔开始大批量供应100G产品,标志着光子集成真正进入到主流应用领域。我国于2012年进入规模化集成阶段,与美国差距不大。

总体而言,相较于美欧在集成电路、机械等领域拥有数十年的积累优势,我国在光子芯片领域与国外差距较小,与美国的差距仅有5~10年。随着国内相关技术的快速发展,中外差距正日益缩小,且我国在局部已具有领先优势。目前全球光子芯片产业尚未成熟、定型,世界上还没有任何一个公司、任何一个国家构建出光子集成生态,这也为我国在“后摩尔时代”换道超车提供了巨大空间。

以科技革命的战略眼光

看待光子芯片

全球科技革命是沿着机械化、电气化、信息化、智能化的演进规律和逻辑在推进的。第一次科技革命是以汽机为代表的机械革命;第二次科技革命是以电为代表的电气化时代;第三次科技革命是以集成电路为代表的信息化时代。过去200多年,本质上是机械和电的时代,但它们的性能现在已经发展到了极致。下一个时代,很大可能将是光+人工智能的时代——以集成光路为基础设施的智能化时代。回顾科技史可以发现,人类的技术变革是由以“机电光算”(机械、电路、光学、算法)为代表的底层技术推动的。未来,“机电光算”的发展趋势就是芯片化——电发展到集成电路,光发展到集成光路,机发展到MEMS芯片。

未来光子技术将变得更加重要,随着摩尔定律濒临失效,光子技术在科技产品中的占比将逐渐增加。基于此,2016年我们提出了“米70定律”,认为未来光学成本将占所有科技产品成本的70%。这一判断已在很多领域得到验证。例如,目前通信网络建设成本中的70%是光学成本,包括光学设备和系统的采购;无人驾驶汽车公司已将70%的资金投入到激光雷达等光学器件上;在显示领域,液晶面板中光学成本也占到了70%~80%的比例。未来,智能手机和智能汽车上的创新基本都是在光学方向发力。如果说19世纪是机械的世纪,20世纪是电的世纪,那么21世纪将是光的世纪。

从技术演进和投资方向来看,美国20世纪70年代开始布局信息产业底层技术和基础设施电子芯片,80年代扶持软件产业发展,90年代布局光通信,2000年发力互联网,搭建了完整的互联网基础设施,引领了全球信息产业革命,获得巨大的产业红利、全球红利和时代红利。

类比集成电路技术“器件系统-小型化-微型化-中小规模集成化-大规模集成化-芯片系统”的演进过程,可以说现在集成光路技术的整体发展正处于类似于上世纪60年代初集成电路的大规模集成阶段。在这个阶段,我们需要深入思考:现在是否应全面布局人工智能时代的基础设施?是否应该抓住千载难逢的行业发展机遇,以极具前瞻性的眼光,大力发展培育光子芯片,引领未来的“消费光子时代”?

近十年来,欧美发达国家围绕光子产业发展皆进行了系统的部署和行动。1991年美国政府便将光子学列为国家发展重点,认为光子学在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力,通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域。此后相继成立了“美国光电子产业振兴会”、“国家光子计划”产业联盟、国家光子集成制造创新研究所。2021年,为确保美国在全球光基础技术创新方面保持领先,美国国会牵头成立了国家光学与光子学核心小组,并投入巨资支持光子技术发展。此外,IBM、英特尔、思科等科技巨头也在光子芯片领域进行了广泛布局。我国多区域已将光子产业作为最具战略性、基础性、先导性的新兴产业予以部署。北京加快布局建设光电子新型研发机构,发起成立光子硬科技投资基金。陕西率先发布“追光计划”,致力于打造国内首个集“新型研发机构+共性技术平台+基金+产业集群”于一体的“两链”融合光子产业创新生态。“滑向球将要到达的地方,而不是它已经在的地方。”迎着智能化曙光,未来将掀起光子技术产业革命,类似于从电子工业的晶体管迈入集成电路时代的技术革命,集成光路将是半导体领域60年一遇的“换道超车”重要机遇。光子芯片或将成为第四次科技革命中5G、物联网、人工智能等技术和产业的基础设施,推动人类社会迈进“光子时代”。

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