計算速度比電子芯片快(kuai)約1000倍，功耗卻更低(di)——光子芯(xin)(xin)片(pian)，成(cheng)為(wei)(wei)當下各國(guo)(guo)(guo)爭相布(bu)局(ju)的前沿(yan)產業。隨(sui)著芯(xin)(xin)片(pian)技術升級迭(die)代，光子芯(xin)(xin)片(pian)有望成(cheng)為(wei)(wei)新(xin)一代信息領(ling)域的底層技術支撐，正(zheng)催生(sheng)一大批新(xin)應用(yong)、新(xin)產業，擁有巨大的市場前景。記者從中(zhong)關(guan)村前沿(yan)科(ke)(ke)技企業中(zhong)科(ke)(ke)鑫通獲悉，國(guo)(guo)(guo)內首條“多材料、跨尺寸(cun)”的光子芯(xin)(xin)片(pian)生(sheng)產線預計將于2023年在京建成(cheng)，填(tian)補我國(guo)(guo)(guo)在光子芯(xin)(xin)片(pian)晶(jing)圓代工(gong)領(ling)域的空白。
芯片產業向“光”而行
通俗(su)地(di)說，在(zai)(zai)傳統的(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)芯(xin)(xin)片(pian)中，數(shu)據傳輸(shu)(shu)的(de)(de)(de)載體是電(dian)子(zi)(zi)，而在(zai)(zai)光(guang)芯(xin)(xin)片(pian)中，數(shu)據傳輸(shu)(shu)的(de)(de)(de)載體變成(cheng)了(le)光(guang)子(zi)(zi)。相較于電(dian)子(zi)(zi)芯(xin)(xin)片(pian)，光(guang)子(zi)(zi)芯(xin)(xin)片(pian)具有(you)高(gao)速(su)并行(xing)、低(di)功耗的(de)(de)(de)優勢，其運算速(su)度及傳輸(shu)(shu)速(su)率是電(dian)子(zi)(zi)芯(xin)(xin)片(pian)的(de)(de)(de)1000倍(bei)，而功耗僅(jin)為電(dian)子(zi)(zi)芯(xin)(xin)片(pian)的(de)(de)(de)九萬分(fen)之(zhi)一。
1965年(nian)，英(ying)特(te)爾(er)聯合創始人(ren)戈登·摩爾(er)提出(chu)摩爾(er)定(ding)律，預(yu)測每隔18到24個月，芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)晶體管密(mi)度就(jiu)會(hui)增加(jia)一倍(bei)。摩爾(er)定(ding)律此后(hou)不(bu)僅成為計算機處理器(qi)的(de)(de)(de)制造準則(ze)，某種程(cheng)度上也被(bei)看作(zuo)科技行(xing)業發展(zhan)的(de)(de)(de)預(yu)言。然而，以硅為基礎的(de)(de)(de)電子芯(xin)片(pian)發展(zhan)了幾十(shi)年(nian)后(hou)，承載(zai)能(neng)力已經逼(bi)近(jin)物理理論的(de)(de)(de)極限(xian)。光子芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)出(chu)現，被(bei)看作(zuo)突破摩爾(er)定(ding)律的(de)(de)(de)重要途徑之(zhi)一。
一(yi)位芯(xin)片(pian)行(xing)業資(zi)深從業者介紹，當電子通(tong)過(guo)晶體(ti)管(guan)等(deng)傳統集成電路元件(jian)時(shi)，會(hui)遇到(dao)阻力(li)并產生熱(re)量。隨著設計者不斷將更(geng)(geng)多元件(jian)添(tian)加到(dao)芯(xin)片(pian)之(zhi)中，產生的(de)熱(re)量自然(ran)會(hui)升高。電子這一(yi)特性甚至(zhi)成為了微型(xing)芯(xin)片(pian)性能(neng)提升的(de)障礙(ai)，同(tong)時(shi)也是計算機(ji)能(neng)耗高的(de)主(zhu)要原因。相(xiang)較之(zhi)下，光子芯(xin)片(pian)不存在(zai)電阻問題，因此其產生的(de)熱(re)量更(geng)(geng)少、能(neng)耗更(geng)(geng)低、計算速度(du)也更(geng)(geng)快。
全(quan)球權威IT咨詢公(gong)司Gartner預(yu)測，到2025年全(quan)球光芯片市場規模有望達561億美元（折(zhe)合人民幣約(yue)4041.16億元）。中國工程院院士、清華大學(xue)教授羅毅此前在(zai)接(jie)受媒體(ti)采訪時說，我國光電子芯片研究正和(he)國際(ji)先進水平“并跑(pao)”。
值得(de)注(zhu)意的(de)(de)(de)是，在制造工藝上，光子(zi)(zi)芯片對結構(gou)的(de)(de)(de)要求不(bu)(bu)像(xiang)電子(zi)(zi)芯片那樣(yang)嚴苛(ke)。“光子(zi)(zi)芯片不(bu)(bu)會像(xiang)電子(zi)(zi)芯片那樣(yang)必須使用極(ji)(ji)紫外光刻(ke)(ke)機（EUV）等極(ji)(ji)高端(duan)的(de)(de)(de)光刻(ke)(ke)機，使用我國已經相對成熟的(de)(de)(de)原材(cai)料(liao)和設(she)備就能(neng)生產(chan)。”有二十余年芯片從業(ye)經驗的(de)(de)(de)中科鑫(xin)通微(wei)電子(zi)(zi)技術(shu)（北京(jing)）有限(xian)公司總裁隋軍(jun)說(shuo)。
多材料生產線有望填補空白
正(zheng)因為光子芯片(pian)的(de)諸多優(you)勢，芯片(pian)由“電(dian)”到“光”的(de)轉換，被視為國產芯片(pian)實現突破(po)的(de)重要技術路線之(zhi)一。北(bei)京市第十三次黨代會(hui)報(bao)告中提到，“圍(wei)繞光電(dian)子、生命科學、低碳技術等領域前瞻布局未來產業”。
在(zai)中科鑫通展廳(ting)，記者見到了不同大(da)小的光(guang)子芯(xin)片(pian)(pian)晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)。“加工后(hou)的晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)經過切割等(deng)一系(xi)列(lie)工序后(hou)，就變成一顆顆芯(xin)片(pian)(pian)。”隋(sui)軍(jun)說，與(yu)用(yong)來制作電子芯(xin)片(pian)(pian)的硅(gui)(gui)晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)不同，光(guang)子芯(xin)片(pian)(pian)晶(jing)(jing)圓(yuan)(yuan)的襯底雖然(ran)也是硅(gui)(gui)，但是在(zai)襯底上還(huan)覆(fu)蓋著一層氮化硅(gui)(gui)或薄膜鈮酸鋰等(deng)特殊光(guang)電材料(liao)。
在(zai)(zai)創辦中科鑫(xin)通前，隋軍(jun)已深刻體(ti)會(hui)到國內企(qi)業在(zai)(zai)集成電(dian)路方(fang)面(mian)仍(reng)處于補短板的(de)(de)階段。“在(zai)(zai)電(dian)子(zi)芯(xin)(xin)片領(ling)(ling)域，即便用(yong)同樣的(de)(de)設備(bei)和(he)材(cai)料，不同芯(xin)(xin)片代(dai)工廠(chang)生(sheng)產(chan)出的(de)(de)芯(xin)(xin)片性(xing)能(neng)指標卻大不相同，為什么？壁壘就(jiu)在(zai)(zai)于工藝。”他說，目前的(de)(de)光子(zi)芯(xin)(xin)片產(chan)業發展中依然沒有擺(bai)脫在(zai)(zai)設計和(he)應用(yong)領(ling)(ling)域規模較大，而在(zai)(zai)設備(bei)、制造、封測等基礎(chu)領(ling)(ling)域實力弱小的(de)(de)局(ju)面(mian)。
至(zhi)今，我國尚沒有(you)一家(jia)專業(ye)(ye)的光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)代工(gong)企(qi)業(ye)(ye)，國內光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)行(xing)業(ye)(ye)尚未形成(cheng)成(cheng)熟的設計(ji)、代工(gong)、封(feng)測(ce)產(chan)業(ye)(ye)鏈。隋(sui)軍(jun)透露，中科鑫(xin)通目(mu)前正籌(chou)備(bei)建設國內首條“多(duo)材料、跨(kua)尺寸”光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)生(sheng)產(chan)線，將(jiang)于2023年建設完成(cheng)，能滿足通信、數據中心、激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)雷達、微波光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)、醫療(liao)檢測(ce)等(deng)領域的市(shi)場需求(qiu)。該生(sheng)產(chan)線建成(cheng)后，將(jiang)填(tian)補我國在光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)晶圓(yuan)代工(gong)領域的空白，有(you)望加速國產(chan)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)替代的規模化進程。
光子芯片應用未來可期
芯(xin)片(pian)除了應用于(yu)通信、供電(dian)、溫度(du)(du)濕度(du)(du)感應，還(huan)能進行病(bing)毒檢測。一個(ge)月前，在(zai)中關村前沿大賽(sai)集成電(dian)路領域決賽(sai)的(de)(de)舞(wu)臺上(shang)，隋軍在(zai)現(xian)場展示的(de)(de)生物光子(zi)芯(xin)片(pian)項目打開(kai)了不(bu)少人對芯(xin)片(pian)的(de)(de)想象空間。在(zai)光子(zi)芯(xin)片(pian)光波導上(shang)涂敷(fu)對病(bing)毒敏感的(de)(de)試(shi)劑，就能分析出病(bing)毒生物分子(zi)的(de)(de)類(lei)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。例如在人工智能領域，光子芯片(pian)可應用(yong)于自動駕駛、語(yu)音識別、圖像(xiang)識別、醫(yi)療(liao)診斷、虛擬現實等。此外，現在(zai)的(de)云計(ji)算(suan)和數據中心(xin)，已經大量采用(yong)了基(ji)于光子芯片(pian)的(de)光收發模塊(kuai)，隨著數據中心(xin)對于算(suan)力的(de)需求與日(ri)俱增，光子芯片(pian)也有望發揮更大的(de)作用(yong)。
“未來兩三年(nian)，我們將充分利用已(yi)有(you)科研(yan)成果(guo)，在諸如病毒快速檢測(ce)、激光(guang)雷達、量子計算機、大(da)容量數據(ju)通信等(deng)領域(yu)(yu)提供切實可靠(kao)的國產(chan)核(he)心芯(xin)片(pian)與(yu)方案支(zhi)撐，加速國內量子信息、人(ren)工智能以及6G等(deng)前(qian)沿領域(yu)(yu)的實用化與(yu)規模(mo)化發(fa)展。”隋軍(jun)說。
