硅光子芯片能替代集成電路芯片嗎？

用光子取代傳統(tǒng)集成電路中的電子，這是一個可能產(chǎn)生 “顛覆式的技術(shù)創(chuàng)新” 方向，中國比美國晚起步十年。但實(shí)際上，技術(shù)差距沒有十年那么久。 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員甘甫烷告訴 DeepTech，“中國比美國更敢投入，而且人員積累、工藝積累、資金的項(xiàng)目積累都做了很長時間，美國比我們走得早，但我們比美國走的更快”。

甘甫烷從事硅光子研究近 20 年，回國前在“硅光子科研重鎮(zhèn)”麻省理工學(xué)院（MIT）獲得博士學(xué)位。2019 年在和上海交通大學(xué)的校友分享其在 MIT 的學(xué)術(shù)生涯時，他表示當(dāng)時枯燥難懂的基礎(chǔ)知識尤其是電磁場的各種方程，在后來卻成了半導(dǎo)體研究的利器。在 MIT 讀博期間他學(xué)到最多的是 “創(chuàng)造、熱情、自信”。后來之所以回國，原因之一是被中國的科教興國戰(zhàn)略感召。

如今的他還有另外一個身份 —— 賽勒科技創(chuàng)始人。賽勒科技成立于 2018 年 3 月，是一家硅光芯片設(shè)計(jì)及產(chǎn)品解決方案提供商，目前也在積極探索如何清除硅光子生產(chǎn)道路上的障礙。 在硅光子業(yè)內(nèi)，一般通過以下指標(biāo)來衡量產(chǎn)品是否優(yōu)質(zhì)：一是速率要足夠高，至少 50-100Gbps 的單波速率才有價值；二是損耗要足夠低，芯片內(nèi)部要做到一個調(diào)制器低于 4 分貝；三是發(fā)送端（如調(diào)制器）的驅(qū)動電壓越低越好，一般要求在 2-3 伏之間，以降低功耗。 與思科、Google、Facebook 這些競爭對手相比，賽勒科技的產(chǎn)品在同樣可以實(shí)現(xiàn)單通道 100Gbps 以上速率的同時，還能做到損耗相對較低，達(dá)到 3 分貝左右，而他們的競爭對手通常只能做到 4-5 分貝。此外，賽勒還可以實(shí)現(xiàn)單片的集成，采用全集成的方案，而不是硅光子和傳統(tǒng)技術(shù)的疊加。 賽勒科技的方案是做三維層 —— 一層硅光子，一層 IC，一層光源，以期把硅光子最大的集成優(yōu)勢發(fā)揮出來。在 2016-2017 年，甘甫烷團(tuán)隊(duì)就制成了當(dāng)時世界上硅光子集成度最高的器件。 如今，他們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)每個通道 100Gbps、共 4 通道或者 8 通道的 4×100 或 8×100 集成?！百惱湛萍嫉漠a(chǎn)品目前在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。” 甘甫烷表示。

目前，賽勒的產(chǎn)品處于快速發(fā)展中。在甘甫烷看來，這得益于他們團(tuán)隊(duì)的兩項(xiàng)優(yōu)勢。首先是隊(duì)伍優(yōu)勢。賽勒年輕的團(tuán)隊(duì)讓他們可以擁有對客戶需求的快速響應(yīng)，例如芯片出光等領(lǐng)域，客戶提出需求之后，他們可以很快予以解決，夠把原來的東西重新做成一個新的格式，讓客戶接受。其次則是出色的供應(yīng)鏈管理。 賽勒與代工廠建立了非常緊密的合作關(guān)系，與客戶一起開發(fā)工藝，使得代工廠的工藝可以快速成熟。這已經(jīng)超越了一般芯片設(shè)計(jì)公司的業(yè)務(wù)范疇，而是通過向代工廠提供很多寶貴的信息，使得后者能夠以最快的速度改進(jìn)技術(shù)，滿足賽勒的需求。從這個意義上講，他們已經(jīng)從單純的芯片設(shè)計(jì)，走向了硅光子芯片技術(shù)的開發(fā)。 縱觀硅光子在全球的發(fā)展情況，美國是硅光子最先興起的、也是目前發(fā)展最超前的國家，早在 20 年前就開啟了利用 CMOS 工藝技術(shù)對硅光子的探索深入研究。

目前，美國的硅光子在 Facebook、Google 等公司已經(jīng)開始量產(chǎn)，芯片出光方面也已經(jīng)實(shí)現(xiàn) demo 級別，很快將進(jìn)入量產(chǎn)階段。 而國內(nèi)真正開始大規(guī)模研究硅光子是在 2010 年左右，之前多為學(xué)術(shù)上的研究，起步晚導(dǎo)致中國在硅光子的產(chǎn)品化進(jìn)程上不如美國。但中國對于硅光子技術(shù)研發(fā)方面人才和資金的大規(guī)模投入，使得發(fā)展程度上不至于晚于美國 10 年之久。 甘甫烷形容，中國在硅光子領(lǐng)域的積累好比是十年磨一劍。他預(yù)計(jì)，有了人才、芯片工藝線、資金和市場的驅(qū)動，到 2022-2025 年大規(guī)模量產(chǎn)的時候，中國硅光子技術(shù)應(yīng)該就很有機(jī)會和美國齊頭并進(jìn)了。 甘甫烷分析稱，在學(xué)術(shù)研究上，起步晚導(dǎo)致中國在硅光子的產(chǎn)品化進(jìn)程上不如美國。但中國對于硅光子技術(shù)研發(fā)方面人才和資金的大規(guī)模投入，使得發(fā)展程度上不至晚于美國 10 年之久。 中國在硅光子領(lǐng)域的積累好比是十年磨一劍。

硅光子芯片能替代集成電路芯片嗎？

5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，得益于芯片技術(shù)的持續(xù)迭代。反過來，日益增加的數(shù)據(jù)存儲計(jì)算、信息傳輸需求，也對芯片的性能提出越來越高的要求。 然而，傳統(tǒng)芯片性能的進(jìn)一步提升正在遇到瓶頸。雖然勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的一個團(tuán)隊(duì)在 2016 年已經(jīng)將晶體管制程縮減到了 1nm，但繼續(xù)發(fā)展下去，單位面積芯片上晶體管的數(shù)量已經(jīng)接近物理極限，芯片性能的增加正在受到限制。 對于這一趨勢，各領(lǐng)域科學(xué)家以及產(chǎn)業(yè)分析師早已有所察覺，“摩爾定律失效在即” 已經(jīng)成為了不少人的共識。

摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登?摩爾于 1965 年發(fā)現(xiàn)的一個趨勢，即單個芯片上可以容納的晶體管數(shù)目大約每經(jīng)過 18-24 個月便會增加一倍，處理器的性能也將提升一倍。 但經(jīng)過幾十年的發(fā)展，由于單個芯片上晶體管的數(shù)目增長已經(jīng)接近物理極限，除非出現(xiàn)顛覆式的技術(shù)創(chuàng)新，否則戈登?摩爾所發(fā)現(xiàn)的 “規(guī)律” 很有可能無法再延續(xù)。 而其中一個可能的 “顛覆式的技術(shù)創(chuàng)新” 方向，就是用光子取代傳統(tǒng)集成電路中的電子，來傳輸信號、進(jìn)行計(jì)算。這便是所謂的 “以光代電”，用 “光子芯片” 來替代傳統(tǒng)的集成電路芯片。

不同于集成電路芯片需要將大量微電子元器件（晶體管、電阻、電容等）放在一塊塑基上做成形成的集成電路，硅光子芯片用硅做成芯片，利用硅的強(qiáng)大光路由能力，通過施加電壓產(chǎn)生持續(xù)的激光束驅(qū)動硅光子元件，來實(shí)現(xiàn)光信息的傳輸、計(jì)算等功能。 “以光代電” 有三個明顯的優(yōu)勢。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員甘甫烷向 DeepTech 解釋到，“用光子來取代電子，可以實(shí)現(xiàn)整體性能的提升。第一，光的帶寬比電子大得多；第二，相比于電，光不容易受到干擾；第三，光本身可以做部分計(jì)算?！?這樣一來，光子芯片便有可能大幅提升芯片的性能，讓摩爾定律得以延續(xù)。

據(jù)了解，光電混合技術(shù)已被應(yīng)用于光纜傳輸。但 “計(jì)算能力上，目前光確實(shí)尚不足以完全替代電?！?甘甫烷表示，“作為光子取代電子，更多的是基于光子帶寬大和不易受干擾這兩點(diǎn)?！?為什么用硅來做光子器件？

“最早很多人做硅光子，是因?yàn)檎J(rèn)為光有可能會延續(xù)摩爾定律的發(fā)展。特別是用硅來做的話，可以跟電的 IC 芯片進(jìn)行單片集成，甚至替代電實(shí)現(xiàn)計(jì)算。” 甘甫烷介紹到。 在硅光子之前，用來做光器件的多為三五族材料（如銦、砷）。但三五族材料存在兩大問題，一是材料成本較高，例如砷元素，其實(shí)是砒霜的主要元素；二是生產(chǎn)工藝尚不成熟，產(chǎn)能無法與基于硅的集成電路成熟強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈相提并論。 而硅，是地球上除了氧之外含量最高的元素，沙石中最常見的元素就是硅，原材料成本非常低；再加上現(xiàn)在成熟的電路都是用硅實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)歷過幾十年摩爾定律的洗禮?；诠璨牧系募呻娐沸袠I(yè)十分完善很發(fā)達(dá)。

因此，用硅來做光的器件，能夠充分利用現(xiàn)有的 CMOS 工藝（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體，集成電路行業(yè)常用的設(shè)計(jì)工藝）以及整個生產(chǎn)鏈，不需要額外高昂的成本，量產(chǎn)的可行性也相對較高。 除成本低這一天然條件外，硅光子在應(yīng)用中也具有絕對優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，最主要的應(yīng)用是 5G、大數(shù)據(jù)等高速傳輸。甘甫烷介紹，“硅光子最大的優(yōu)勢就是集成，原本三五族元素方案只能集成幾個器件，但硅光子可以做成幾萬個?！备叨燃苫蟮男酒跀?shù)據(jù)、信息的傳輸速率上會有極大的提升。而且，集成之后還可以實(shí)現(xiàn)多通道傳輸。對于數(shù)據(jù)中心、5G 一類長距離通訊，以及芯片內(nèi)部的短距離傳輸來說，高帶寬和多通道可以帶來明顯的優(yōu)勢。

而在計(jì)算方面，光相比于電延時很短。電的計(jì)算要經(jīng)過二極管、數(shù)字等轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的延遲，甚至可達(dá)到光的幾百倍。用光子芯片進(jìn)行矩陣計(jì)算，其用時甚至可以比電子芯片小幾個量級。 另外，在傳感以及激光雷達(dá)方面，硅光子亦有其廣闊的應(yīng)用前景。 原理上無礙，工程化未可。

從上世紀(jì)六七十年代發(fā)展到現(xiàn)在，硅光子的生產(chǎn)在原理上已經(jīng)沒有障礙，但在實(shí)現(xiàn)上依舊存在很大難題。 “設(shè)計(jì)必須要跟工藝強(qiáng)耦合才能做出高質(zhì)量產(chǎn)品”，但從開始大規(guī)模采用 CMOS 工藝研發(fā)硅光子，距今經(jīng)歷了約 20 年左右，時間并不是很長，在工藝和技術(shù)積累上還欠些火候。 甘甫烷表示，只有徹底摸透硅光子技術(shù)，打通包括設(shè)計(jì)、工藝、封裝、產(chǎn)品等完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，才能真正做好硅光子。而現(xiàn)在能夠摸透硅光子技術(shù)的團(tuán)隊(duì)，很少。

另外，硅光子芯片中起關(guān)鍵作用的片上激光器也是一個比較大的難題。以目前的研究，采用硅材料實(shí)現(xiàn)激光器和隔離器還是世界難題，且在工業(yè)線上實(shí)現(xiàn)硅光子和激光器、隔離器的混合也是困難重重。 不過，在甘甫烷看來，他所在的賽勒科技最大的價值在于他們解決了硅光子的封裝難題。一個光器件中，光學(xué)封裝成本大約要占到 60% 以上。這是因?yàn)?，現(xiàn)有的技術(shù)普遍使用的是有源對光技術(shù)，需要根據(jù)觀察結(jié)果反饋再進(jìn)行調(diào)整以完成對光，“相當(dāng)于是一邊對光一邊看，看的不對再調(diào)回去 。

而賽勒科技使用的無源對光技術(shù)，例如對于光纖和激光器等元件來說，可以實(shí)現(xiàn)它們的自動對光成功。對比傳統(tǒng)方案，無源對光技術(shù)能夠應(yīng)用于產(chǎn)品的大規(guī)模自動化生產(chǎn)，有利于硅光子芯片在 5G、數(shù)據(jù)中心等方面的運(yùn)用，亦有促進(jìn)芯片出光 CPU 發(fā)展的可能。甘甫烷認(rèn)為，這是賽勒科技相比于國內(nèi)外競爭對手最大的價值所在。 -End-

原文標(biāo)題：20年磨一劍，中國科學(xué)家回國創(chuàng)辦硅光子公司！核心團(tuán)隊(duì)曾實(shí)現(xiàn)當(dāng)時全球硅光子集成度最高的專用芯片｜獨(dú)家對話

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