計算速度比電子芯片快約1000倍，功(gong)耗卻(que)更低(di)——光(guang)子芯(xin)(xin)片，成(cheng)(cheng)為(wei)當下各國爭相(xiang)布局(ju)的(de)前沿產業(ye)。隨著芯(xin)(xin)片技術(shu)升級迭(die)代，光(guang)子芯(xin)(xin)片有(you)望成(cheng)(cheng)為(wei)新(xin)一(yi)代信息領域的(de)底層技術(shu)支(zhi)撐，正催生一(yi)大批新(xin)應用、新(xin)產業(ye)，擁(yong)有(you)巨大的(de)市(shi)場(chang)前景。記者(zhe)從中關村(cun)前沿科(ke)技企業(ye)中科(ke)鑫通獲悉(xi)，國內首(shou)條“多材料(liao)、跨尺寸(cun)”的(de)光(guang)子芯(xin)(xin)片生產線預計將于2023年在(zai)(zai)京建成(cheng)(cheng)，填(tian)補(bu)我國在(zai)(zai)光(guang)子芯(xin)(xin)片晶圓(yuan)代工領域的(de)空白。
芯片產業向“光”而行
通俗地說，在傳(chuan)統的(de)電子(zi)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)中(zhong)，數(shu)(shu)據(ju)傳(chuan)輸的(de)載(zai)體是(shi)電子(zi)，而在光芯(xin)(xin)片(pian)(pian)中(zhong)，數(shu)(shu)據(ju)傳(chuan)輸的(de)載(zai)體變成(cheng)了(le)光子(zi)。相(xiang)較于電子(zi)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)，光子(zi)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)具有高(gao)速(su)(su)并(bing)行、低功(gong)耗(hao)(hao)的(de)優勢，其運算速(su)(su)度及傳(chuan)輸速(su)(su)率是(shi)電子(zi)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)的(de)1000倍，而功(gong)耗(hao)(hao)僅(jin)為電子(zi)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)的(de)九(jiu)萬分之一。
1965年(nian)，英特爾(er)聯(lian)合創(chuang)始人(ren)戈登·摩爾(er)提(ti)出摩爾(er)定(ding)律，預測每(mei)隔18到24個月，芯片(pian)的(de)(de)(de)晶體管(guan)密度(du)就(jiu)會增加一(yi)倍。摩爾(er)定(ding)律此后(hou)不僅(jin)成(cheng)為(wei)計(ji)算機處(chu)理(li)器的(de)(de)(de)制造準則，某種程度(du)上也被看作科技行(xing)業發(fa)展的(de)(de)(de)預言。然而，以硅(gui)為(wei)基礎的(de)(de)(de)電子芯片(pian)發(fa)展了幾(ji)十(shi)年(nian)后(hou)，承載能力已經逼近(jin)物(wu)理(li)理(li)論的(de)(de)(de)極限。光子芯片(pian)的(de)(de)(de)出現，被看作突破摩爾(er)定(ding)律的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)途徑之一(yi)。
一(yi)位芯片(pian)行業資深從業者介紹，當電子通過晶體管等傳統集成電路元(yuan)件時，會(hui)(hui)遇到(dao)阻力并(bing)產生熱(re)量(liang)。隨著設計者不斷將更(geng)(geng)多(duo)元(yuan)件添(tian)加到(dao)芯片(pian)之(zhi)中，產生的(de)(de)(de)熱(re)量(liang)自然會(hui)(hui)升高。電子這一(yi)特(te)性(xing)甚至成為了微(wei)型(xing)芯片(pian)性(xing)能提升的(de)(de)(de)障(zhang)礙，同時也是計算(suan)機能耗高的(de)(de)(de)主要(yao)原因(yin)。相較之(zhi)下，光子芯片(pian)不存在電阻問題，因(yin)此其產生的(de)(de)(de)熱(re)量(liang)更(geng)(geng)少、能耗更(geng)(geng)低、計算(suan)速度也更(geng)(geng)快。
全球權威IT咨詢公司Gartner預測，到2025年(nian)全球光(guang)芯片市場規模有望達(da)561億(yi)(yi)美元（折合人民(min)幣約4041.16億(yi)(yi)元）。中國(guo)工程院(yuan)院(yuan)士、清華大學教授羅毅此前在(zai)接受媒體采訪(fang)時說，我國(guo)光(guang)電子(zi)芯片研究(jiu)正和國(guo)際先進水平“并跑”。
值得注意的(de)(de)是，在(zai)制(zhi)造工藝上，光(guang)子芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)對結構的(de)(de)要求不(bu)像電子芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)那樣(yang)嚴(yan)苛。“光(guang)子芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)不(bu)會像電子芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)那樣(yang)必須使用(yong)(yong)極紫外(wai)光(guang)刻(ke)機(ji)（EUV）等極高端的(de)(de)光(guang)刻(ke)機(ji)，使用(yong)(yong)我國已經相對成(cheng)熟的(de)(de)原材料(liao)和(he)設備就能(neng)生(sheng)產(chan)。”有二(er)十余年(nian)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)從業經驗的(de)(de)中科鑫通微電子技術（北京）有限(xian)公司總(zong)裁隋軍說。
多材料生產線有望填補空白
正因為光子(zi)芯片的(de)諸(zhu)多優勢，芯片由“電(dian)”到“光”的(de)轉(zhuan)換，被(bei)視為國產(chan)芯片實現(xian)突破的(de)重要技術路線之一。北京市第十三(san)次(ci)黨代(dai)會(hui)報告中提到，“圍繞光電(dian)子(zi)、生命科學(xue)、低碳技術等領域前瞻(zhan)布(bu)局(ju)未來(lai)產(chan)業”。
在中科鑫通展廳，記者見到了不(bu)同大小的(de)光(guang)(guang)(guang)子芯片(pian)(pian)晶(jing)圓(yuan)。“加工后(hou)的(de)晶(jing)圓(yuan)經過切割等(deng)一系列工序后(hou)，就變成一顆顆芯片(pian)(pian)。”隋軍說，與用(yong)來制作(zuo)電子芯片(pian)(pian)的(de)硅晶(jing)圓(yuan)不(bu)同，光(guang)(guang)(guang)子芯片(pian)(pian)晶(jing)圓(yuan)的(de)襯底雖然也(ye)是硅，但(dan)是在襯底上還覆蓋(gai)著(zhu)一層氮化硅或薄膜鈮酸鋰等(deng)特殊光(guang)(guang)(guang)電材料。
在創辦中科鑫通前，隋軍已深刻體會到國內企業在集成(cheng)電路方面(mian)仍(reng)處(chu)于補短板的階段。“在電子芯(xin)片(pian)領(ling)域，即便用同(tong)樣的設備(bei)和材(cai)料，不(bu)同(tong)芯(xin)片(pian)代工廠生產出的芯(xin)片(pian)性能指(zhi)標卻(que)大不(bu)相同(tong)，為什(shen)么？壁壘(lei)就在于工藝。”他(ta)說，目(mu)前的光子芯(xin)片(pian)產業發展中依(yi)然沒有擺脫在設計和應(ying)用領(ling)域規模較大，而在設備(bei)、制造、封測(ce)等基礎領(ling)域實(shi)力弱小的局面(mian)。
至今，我國(guo)尚沒有一家專業(ye)(ye)的(de)光(guang)子芯片(pian)代工企業(ye)(ye)，國(guo)內光(guang)子芯片(pian)行業(ye)(ye)尚未形成成熟的(de)設計、代工、封(feng)測(ce)產(chan)業(ye)(ye)鏈(lian)。隋軍(jun)透露，中科鑫通(tong)(tong)目前正(zheng)籌(chou)備建(jian)設國(guo)內首條(tiao)“多(duo)材(cai)料、跨尺寸(cun)”光(guang)子芯片(pian)生產(chan)線(xian)，將于2023年(nian)建(jian)設完成，能滿足通(tong)(tong)信(xin)、數(shu)據(ju)中心、激光(guang)雷達、微波光(guang)子、醫療(liao)檢測(ce)等領(ling)域的(de)市場(chang)需求。該生產(chan)線(xian)建(jian)成后，將填補我國(guo)在光(guang)子芯片(pian)晶圓(yuan)代工領(ling)域的(de)空白，有望加速國(guo)產(chan)光(guang)子芯片(pian)替代的(de)規模化進程。
光子芯片應用未來可期
芯(xin)片(pian)(pian)除了應(ying)用于(yu)通(tong)信、供電(dian)、溫(wen)度濕度感應(ying)，還能進行病毒(du)檢測。一個月前，在(zai)中(zhong)關村前沿大賽(sai)集(ji)成電(dian)路領域決賽(sai)的舞臺上，隋軍在(zai)現場展示(shi)的生物(wu)光子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)項目打開了不少人(ren)對(dui)芯(xin)片(pian)(pian)的想象空間。在(zai)光子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)光波導上涂(tu)敷(fu)對(dui)病毒(du)敏感的試劑，就能分析出病毒(du)生物(wu)分子(zi)的類型(xing)以及含量。
生物檢測只是光子芯片的諸多應用場景之一。近年來，光子芯片的應用場景早已不局限于通信領域，廣義上的光子芯片在工業、消費電子、汽車、國防等領域均有非常廣泛的應用。例如在人工智能領(ling)域，光(guang)子(zi)芯(xin)片可應用(yong)于(yu)自(zi)動(dong)駕駛、語音識別、圖(tu)像(xiang)識別、醫(yi)療診斷(duan)、虛擬現(xian)實等。此(ci)外，現(xian)在的云計(ji)算和數據中心(xin)，已經大(da)量采用(yong)了基(ji)于(yu)光(guang)子(zi)芯(xin)片的光(guang)收(shou)發模塊，隨著數據中心(xin)對于(yu)算力的需求與日俱(ju)增，光(guang)子(zi)芯(xin)片也有(you)望發揮更大(da)的作(zuo)用(yong)。
“未來兩三(san)年，我們將充分利用已有科研成果，在諸(zhu)如病毒快速(su)檢測、激光雷達、量(liang)子(zi)計算機、大容量(liang)數據通信等領域(yu)提供(gong)切實可(ke)靠的國產(chan)核心芯片與(yu)方(fang)案(an)支撐，加速(su)國內量(liang)子(zi)信息、人工(gong)智能以及6G等前(qian)沿(yan)領域(yu)的實用化與(yu)規模化發展(zhan)。”隋軍說。
