雖然在十幾年前，我們生活的這個地球就已經(jīng)被互聯(lián)網(wǎng)和發(fā)達(dá)的國際交通運輸拉近了距離，變成“地球村”，但這幾年發(fā)生的一件件事情，都告訴我們一個道理：

談判時說得再好的貿(mào)易協(xié)議，在自身實力有隙可乘時還是會變成一紙空文。最好的方式，就是盡量減少自身的弱點。而被“卡脖子”的芯片，就是我國目前的弱點之一。

小黑在之前的文章《告別“卡脖子”，國產(chǎn)芯片還有哪些不足需要彌補？》中，對國產(chǎn)芯片在各個技術(shù)環(huán)節(jié)還有哪些不足之處做過一些介紹，芯片熱也在國內(nèi)不斷發(fā)酵。

而在最近，又傳出了可以讓國產(chǎn)芯告別“卡脖子”的新事物：光子芯片。這是個啥？和我們現(xiàn)在用的芯片有什么不一樣，它真的能讓國產(chǎn)芯做大做強嗎？

蘋果、高通擠牙膏，或許真不能怪他們

說到光子芯片，或許有許多小伙伴都不太了解。說實話，在查閱資料之前，小黑對它也只是有個初步的概念。

不過話說回來，推動產(chǎn)業(yè)變革的往往就是一些新生事物，光子芯片就屬于這個范疇。

不過，要想知道光子芯片能不能幫助國產(chǎn)芯站起來，我們首先還是要知道光子芯片是什么。

我們現(xiàn)在提起的芯片，說的主要是以硅為基底，通過電路計算的芯片形式。在不同場合下，還會有“集成電路”“電子芯片”等不同稱呼。

從原理上來說，硅基芯片是以電子為載體來進(jìn)行信息的生成、處理和傳輸?shù)?，而我們熟知的晶體管則是控制可變電流的開關(guān)。

正因如此，單位空間內(nèi)能容納晶體管的數(shù)量越多，芯片的計算能力就越強，這也是我們常?？梢钥吹绞謾C(jī)廠商們在發(fā)布會上，用晶體管數(shù)量作為SoC處理器性能的一項指標(biāo)的原因。

但硅基芯片的發(fā)展在理論上是有其物理極限的。由于硅原子的直徑大約為0．22納米，當(dāng)制程工藝發(fā)展到7nm以下時，電涌、電子擊穿等問題出現(xiàn)的幾率就會不斷升高，更是有“功耗墻”“存儲墻”這兩個難題難以解決。

另外，先進(jìn)制程面臨的良品率下降、研發(fā)生產(chǎn)成本上升、芯片發(fā)熱嚴(yán)重等問題，也與制程工藝逐漸逼近物理極限有關(guān)。

目前，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為硅基芯片的制程工藝最多到2030年就會到達(dá)物理極限，因此，芯片行業(yè)開始寄希望于潛力巨大的光子芯片。

更快、更高、更強的光子芯片

其實，光子芯片并不是一件新鮮事物。早在1969年，集成光學(xué)，也稱積體光學(xué)的概念就已被提出。到了上世紀(jì)80年代，光子芯片也開始了相應(yīng)的研究，并且由于物理特性，光子芯片比電子芯片有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在前文中小黑提到，電子芯片是以電子為載體進(jìn)行計算的，同理可知，光子芯片則是以光子為載體實現(xiàn)計算的。

相比電子芯片，光子芯片的性能幾乎在每個方面都有明顯的優(yōu)勢。

在傳輸速度上，光子脈沖的信息速率可以達(dá)到幾十TB／s，從而使“存儲墻”的問題不復(fù)存在。

而在能耗方面，根據(jù)推算，光子元器件的能耗僅有電子元器件的千分之一。有數(shù)據(jù)指出，根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，在未來五年以集成電路為基礎(chǔ)的數(shù)字產(chǎn)業(yè)可能會消耗全球每年電力供應(yīng)的20％，而光子元器件的發(fā)展，就可以大幅緩解能源壓力。

除此之外，目前讓相關(guān)廠商和消費者都十分頭痛的芯片發(fā)熱等問題，在光子芯片上同樣不會出現(xiàn)。

可以說，從理論上來看，光子芯片確實是數(shù)字產(chǎn)業(yè)的未來。

那么問題就來了，光子芯片開始研究的時間與電子芯片相差無幾，為何電子芯片如今一騎絕塵，成為芯片領(lǐng)域的絕對主流呢？

答案其實很簡單：相比相對“乖巧”的電子，光子的“性格”更難以把控。為了讓光子芯片早日成為現(xiàn)實，科學(xué)家們一直在研發(fā)可以替代電晶體管功能元器件，但始終無法在準(zhǔn)確控制光信號的同時縮小元器件的體積。這樣一來，電子芯片自然就成為市場的主流了。

不過，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，近幾年來，各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也都加大了對光子芯片的投入，也取得了不少突破。因此，對光子芯片的未來，小黑還是抱有希望的。

彎道超車，讓光子芯片被寄予厚望

這幾天，北京日報發(fā)布了一則新聞：國內(nèi)首條“多材料、跨尺寸”的光子芯片生產(chǎn)線已在籌備當(dāng)中，預(yù)計將于2023年在北京建成。

從概念上來說，光子芯片主要有兩種：光量子芯片和硅光芯片。不過，由于理論、技術(shù)等方面的原因，前者目前還停留在紙面上，國內(nèi)正在籌備的這條光子芯片生產(chǎn)線，從介紹來看也屬于硅光芯片的生產(chǎn)線。

與純光子芯片不同，硅光芯片采用的是光電混合結(jié)構(gòu)設(shè)計，在計算時，所有的指令、編譯、軟件都會先加載到電子芯片上進(jìn)行處理，之后通過光信號進(jìn)行計算，最后輸出的依然還是電信號。

而在另一個方面，早在2016年，英特爾就已經(jīng)成功推出了硅光子光學(xué)收發(fā)器。在之后的幾年里，英特爾的相關(guān)產(chǎn)品不斷推陳出新，并已在研發(fā)更加先進(jìn)的光電共封技術(shù)。

除此之外，Ayar Labs、思科等廠商，也已在硅光芯片領(lǐng)域有所成績。

既然國外廠商已經(jīng)在硅光芯片領(lǐng)域有所收獲，那么問題來了，在北京籌備、明年建成的光子芯片生產(chǎn)線又如何能夠?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”呢？

關(guān)于這個問題，小黑可以從兩個方面來回答。

首先，我國的硅光芯片研究起步并不晚。工信部2017年底發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018—2022 年）》就已對國產(chǎn)光電子芯片的發(fā)展提出了要求。而在同一年，國家信息光電子創(chuàng)新中心也在武漢開始建設(shè)。

▲國內(nèi)首款硅光互連芯片

到了2018年年中，可商用的硅光收發(fā)芯片就已正式投產(chǎn)。可以說，在起步階段，我們并沒有落后太多。

其次，根據(jù)相關(guān)資料表明，硅光芯片在生產(chǎn)制造上，對國外“卡脖子”技術(shù)的依賴相比電子芯片要有所減少。特別是由于光子芯片側(cè)重的主要是外延設(shè)計和制備環(huán)節(jié)，先進(jìn)制程的重要性就大幅降低。因此，國產(chǎn)光子芯片的主要廠商也都選擇了能把控整個設(shè)計制造流程的IDM模式。

當(dāng)然，即便對高端光刻機(jī)沒有高需求，但晶圓在硅光芯片的生產(chǎn)中依然不可或缺，如何在這一點上告別“卡脖子”，依然需要相關(guān)企業(yè)不斷努力。

一方面是起步不晚的研發(fā)工作，一方面是不再依賴先進(jìn)制程工藝，再加上光子芯片在性能上更為優(yōu)秀，通過光子芯片來實現(xiàn)彎道超車，自然是再合適不過了。

不過，硅光芯片的研發(fā)目前仍處在起步階段，要在消費級市場上大規(guī)模普及，還需要很長一段路程要走。小黑當(dāng)然希望我國的光子芯片研發(fā)，乃至整個產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)發(fā)展，都能達(dá)到世界先進(jìn)水平。

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