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光子芯片,能帮助国产芯自强自立吗?

小黑在之前的文章《告别“卡脖子”,国产芯片还有哪些不足需要弥补?》中,对国产芯片在各个技术环节还有哪些不足之处做过一些介绍,芯片热也在国内不断发酵。

而在最近,又传出了可以让国产芯告别“卡脖子”的新事物:光子芯片。这是个啥?和我们现在用的芯片有什么不一样,它真的能让国产芯做大做强吗?

苹果、高通挤牙膏,或许真不能怪他们

说到光子芯片,或许有许多小伙伴都不太了解。说实话,在查阅资料之前,小黑对它也只是有个初步的概念。

不过话说回来,推动产业变革的往往就是一些新生事物,光子芯片就属于这个范畴。

不过,要想知道光子芯片能不能帮助国产芯站起来,我们首先还是要知道光子芯片是什么。

我们现在提起的芯片,说的主要是以硅为基底,通过电路计算的芯片形式。在不同场合下,还会有“集成电路”“电子芯片”等不同称呼。

从原理上来说,硅基芯片是以电子为载体来进行信息的生成、处理和传输的,而我们熟知的晶体管则是控制可变电流的开关。

正因如此,单位空间内能容纳晶体管的数量越多,芯片的计算能力就越强,这也是我们常常可以看到手机厂商们在发布会上,用晶体管数量作为SoC处理器性能的一项指标的原因。

但硅基芯片的发展在理论上是有其物理极限的。由于硅原子的直径大约为0.22纳米,当制程工艺发展到7nm以下时,电涌、电子击穿等问题出现的几率就会不断升高,更是有“功耗墙”“存储墙”这两个难题难以解决。

另外,先进制程面临的良品率下降、研发生产成本上升、芯片发热严重等问题,也与制程工艺逐渐逼近物理极限有关。

目前,业内人士普遍认为硅基芯片的制程工艺最多到2030年就会到达物理极限,因此,芯片行业开始寄希望于潜力巨大的光子芯片。

更快、更高、更强的光子芯片

其实,光子芯片并不是一件新鲜事物。早在1969年,集成光学,也称积体光学的概念就已被提出。到了上世纪80年代,光子芯片也开始了相应的研究,并且由于物理特性,光子芯片比电子芯片有更大的发展潜力。

在前文中小黑提到,电子芯片是以电子为载体进行计算的,同理可知,光子芯片则是以光子为载体实现计算的。

相比电子芯片,光子芯片的性能几乎在每个方面都有明显的优势
相比电子芯片,光子芯片的性能几乎在每个方面都有明显的优势

相比电子芯片,光子芯片的性能几乎在每个方面都有明显的优势。

在传输速度上,光子脉冲的信息速率可以达到几十TB/s,从而使“存储墙”的问题不复存在。

而在能耗方面,根据推算,光子元器件的能耗仅有电子元器件的千分之一。有数据指出,根据目前的发展趋势,在未来五年以集成电路为基础的数字产业可能会消耗全球每年电力供应的20%,而光子元器件的发展,就可以大幅缓解能源压力。

除此之外,目前让相关厂商和消费者都十分头痛的芯片发热等问题,在光子芯片上同样不会出现。

可以说,从理论上来看,光子芯片确实是数字产业的未来。

那么问题就来了,光子芯片开始研究的时间与电子芯片相差无几,为何电子芯片如今一骑绝尘,成为芯片领域的绝对主流呢?

答案其实很简单:相比相对“乖巧”的电子,光子的“性格”更难以把控。为了让光子芯片早日成为现实,科学家们一直在研发可以替代电晶体管功能元器件,但始终无法在准确控制光信号的同时缩小元器件的体积。这样一来,电子芯片自然就成为市场的主流了。

不过,随着相关技术的不断发展,近几年来,各研究机构和企业也都加大了对光子芯片的投入,也取得了不少突破。因此,对光子芯片的未来,小黑还是抱有希望的。

弯道超车,让光子芯片被寄予厚望

这几天,北京日报发布了一则新闻:国内首条“多材料、跨尺寸”的光子芯片生产线已在筹备当中,预计将于2023年在北京建成。

从概念上来说,光子芯片主要有两种:光量子芯片和硅光芯片。不过,由于理论、技术等方面的原因,前者目前还停留在纸面上,国内正在筹备的这条光子芯片生产线,从介绍来看也属于硅光芯片的生产线。

与纯光子芯片不同,硅光芯片采用的是光电混合结构设计,在计算时,所有的指令、编译、软件都会先加载到电子芯片上进行处理,之后通过光信号进行计算,最后输出的依然还是电信号。

英特尔就已经成功推出了硅光子光学收发器
英特尔就已经成功推出了硅光子光学收发器

而在另一个方面,早在2016年,英特尔就已经成功推出了硅光子光学收发器。在之后的几年里,英特尔的相关产品不断推陈出新,并已在研发更加先进的光电共封技术。

除此之外,Ayar Labs、思科等厂商,也已在硅光芯片领域有所成绩。

既然国外厂商已经在硅光芯片领域有所收获,那么问题来了,在北京筹备、明年建成的光子芯片生产线又如何能够实现“弯道超车”呢?

关于这个问题,小黑可以从两个方面来回答。

首先,我国的硅光芯片研究起步并不晚。工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018—2022 年)》就已对国产光电子芯片的发展提出了要求。而在同一年,国家信息光电子创新中心也在武汉开始建设。

国内首款硅光互连芯片
国内首款硅光互连芯片

国内首款硅光互连芯片

到了2018年年中,可商用的硅光收发芯片就已正式投产。可以说,在起步阶段,我们并没有落后太多。

其次,根据相关资料表明,硅光芯片在生产制造上,对国外“卡脖子”技术的依赖相比电子芯片要有所减少。特别是由于光子芯片侧重的主要是外延设计和制备环节,先进制程的重要性就大幅降低。因此,国产光子芯片的主要厂商也都选择了能把控整个设计制造流程的IDM模式。

当然,即便对高端光刻机没有高需求,但晶圆在硅光芯片的生产中依然不可或缺,如何在这一点上告别“卡脖子”,依然需要相关企业不断努力。

一方面是起步不晚的研发工作,一方面是不再依赖先进制程工艺,再加上光子芯片在性能上更为优秀,通过光子芯片来实现弯道超车,自然是再合适不过了。

不过,硅光芯片的研发目前仍处在起步阶段,要在消费级市场上大规模普及,还需要很长一段路程要走。小黑当然希望我国的光子芯片研发,乃至整个产业链的技术发展,都能达到世界先进水平。

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Posted in 晶圆制造

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