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光子與光子芯片

光子學是與電子學平行的科學。科學家普遍認為，光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息。

與電子相比，光子作為信息載體具有先天的優勢：超高速度、超強的并行性、超高帶寬、超低損耗。

光子能夠對現有的電子芯片性能進行大幅度提升，解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計算機整體性能等難題。

更為重要的是，過去電子芯片主要應用于計算和存儲領域，而光子芯片可以在信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲及信息顯示等領域催生眾多新的應用場景。

根據底層的科學邏輯可以判斷，人類一定會進入微光子學時代，利用微光子技術進行元器件的大規模集成必定會實現。

電子芯片是利用電子來生成、處理和傳輸信息的，光子芯片則是利用光子來生成、處理、傳輸并顯示信息的。

光子芯片是未來新一代信息產業的基礎設施和核心支撐。

替代電子芯片的趨勢

①以電子為載體的技術發展已趨近物理極限。

當下集成電路是以硅為基礎材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當制程降至7納米以下時，極易出現電涌和電子擊穿問題，也就是已經很難完美地控制電子了。

業內人士普遍認為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會達到物理極限，亟需尋找創新發展的出路。

②電子芯片尺寸降到極致時會出現[功耗墻]難題。

雖然國內外學術界和工業界進行了大量努力，但由于CMOS半導體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結構、新材料。

③電子芯片性能提升的同時，性價比在降低。

電子是費米子，是有質量的物質，所以在傳輸信號時會因為質量的慣性產生較多的能量損耗；

光是玻色子，是物質之間的相互作用力，靜止質量為零，傳輸信號時能量損耗小。

④光子芯片徹底改變了數據密集型技術。

這些激光供電設備可以單獨或與傳統電子電路配合使用，以光速發送和處理信息，使其成為人工智能數據饑渴應用的有前途的解決方案。

⑤光子芯片不會像電子芯片那樣必須使用極紫外光刻機（EUV）等極高端的光刻機。

⑥光的矩陣乘法并行能力要遠強于電子芯片、延時遠遠低于電芯片，更適合AI大數據的線性運算需求。

從數據來看，光子芯片的計算速度較電子芯片快約1000倍。

目前硅光芯片實現可能更大

光子芯片的概念有兩種，一種是光量子芯片，一種是硅光芯片，目前更多是指的硅光芯片。

近年來隨著技術的發展，包括硅、氮化硅、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用于研發單片集成或混合集成的光子芯片。

目前純光子器件已能作為獨立的功能模塊使用，但是，由于光子本身難以靈活控制光路開關，也不能作為類似微電子器件的存儲單元，純光子器件自身難以實現完整的信息處理功能。

因此，依然需借助電子器件實現。

因此，完美意義上的純[光子芯片]仍處于概念階段，尚未形成可實用的系統。

光子芯片需要與成熟的電子芯片技術融合，運用電子芯片先進的制造工藝及模塊化技術，結合光子和電子優勢的硅光技術將是未來的主流形態。

硅光芯片作為一種底層的硬件支持，采用的是光電混合結構。

首先會加載到數字電芯片上面，數字電芯片會把這些指令和交互點做一個切分和分解，它只需要在編譯器和底層驅動上添加一些新的功能。

絕大部分的非線性指令、一些數據的調度指令，都是基于現有數字電芯片去做的。

從軟件和生態適配的角度來講，它能達成的能力與現有生態是一樣的，但材料變了，核心傳輸模式變了。

它用光來傳輸數據，光子芯片的材料更多是InP、GaAS等二代化合物，而集成電路一般采用硅片。

根據光網絡市場分析機構Yole數據顯示，2021年全球光模塊市場規模約為104億美元，預計2027年將增長至247億美元，其年復合增長率達15%。

硅光技術提供商宏芯科技宣布正式推出基于自研硅光芯片的數據中心光互連應用400G硅光模塊，其中400GDR4已達到量產。

該系列的400GDR4和400GFR4兩款產品將以低成本、低功耗等優勢助力數據中心光網絡升級發展。

宏芯科技已經成長為國內具有硅光[芯片研發-模塊研發-模塊制造]全鏈條技術能力的科技公司。

芯片由電到光，國產突破的重要技術路線

不同于電子芯片側重光刻環節，而光子芯片側重外延設計與制備環節，而非光刻環節，不再依賴先進工藝。

這也決定了光子芯片行業中，IDM模式是主流。

而恰好國產光芯片典型玩家均選擇了IDM模式，如仕佳光子、長光華芯、源杰科技。

據Gartner預測，到2025年全球光子芯片市場規模有望達561億美元。

目前來看，全球市場中，高意集團（II-VI）、Lumentum等占據領先地位，長光華芯、源杰科技等本土企業已在高功率激光芯片、高速率激光芯片等領域取得進展。

去年9月中旬有消息傳出，臺積電已與英偉達合作硅光子集成研發項目，前者將在圖形硬件上使用COUPE硅光子芯片異構集成技術。

產業尚未打開遠期成長天花板

目前的光子芯片產業發展中依然沒有擺脫在設計和應用領域規模較大，而在設備、制造、封測等基礎領域實力弱小的局面。

至今，我國尚沒有一家專業的光子芯片代工企業，國內光子芯片行業尚未形成成熟的設計、代工、封測產業鏈。

華泰證*指出，未來我國光子芯片廠商成長路徑有望經歷兩個階段：

①在細分領域憑借自身技術實力，綁定優質客戶，推進本土化進程。

②產品品類橫向擴張，打開遠期成長天花板。

隨著國內相關技術的快速發展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領先優勢。

結尾

光芯片對比電子芯片，類似于從燃油車發動機、變速箱到電動車電機、電池到電控的一種變革，存在替代EUV光刻機的一種新的可能性。

光子對電子并不是替代關系，準確地講光子產業是對電子產業的升級，能夠催生新的產業。