計算速度比電子芯片快約1000倍，功耗卻更低——光子芯片，成為當(dāng)下各國爭相布局的前沿產(chǎn)業(yè)。隨著芯片技術(shù)升級迭代，光子芯片有望成為新一代信息領(lǐng)域的底層技術(shù)支撐，正催生一大批新應(yīng)用、新產(chǎn)業(yè)，擁有巨大的市場前景。記者從中關(guān)村前沿科技企業(yè)中科鑫通獲悉，國內(nèi)首條“多材料、跨尺寸”的光子芯片生產(chǎn)線預(yù)計將于2023年在京建成，填補我國在光子芯片晶圓代工領(lǐng)域的空白。
芯片產(chǎn)業(yè)向“光”而行
通俗地說，在傳統(tǒng)的電子芯片中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體是電子，而在光芯片中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體變成了光子。相較于電子芯片，光子芯片具有高速并行、低功耗的優(yōu)勢，其計算速度及傳輸速率是電子芯片的1000倍，而功耗僅為電子芯片的九萬分之一。
1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出摩爾定律，預(yù)測每隔18個月到24個月，芯片的晶體管密度就會增加一倍。然而，以硅為基礎(chǔ)的電子芯片發(fā)展了幾十年后，承載能力已經(jīng)逼近物理理論的極限。光子芯片的出現(xiàn)，被看作突破摩爾定律的重要途徑之一。
一位芯片行業(yè)資深從業(yè)者介紹，當(dāng)電子通過晶體管等傳統(tǒng)集成電路元件時，會遇到阻力并產(chǎn)生熱量。隨著設(shè)計者不斷將更多元件添加到芯片之中，產(chǎn)生的熱量自然會升高。電子這一特性甚至成了微型芯片性能提升的障礙，同時也是計算機能耗高的主要原因。相較之下，光子芯片不存在電阻問題，因此其產(chǎn)生的熱量更少、能耗更低、計算速度也更快。
全球權(quán)威IT咨詢公司Gartner預(yù)測，到2025年全球光芯片市場規(guī)模有望達561億美元(折合人民幣約4041.16億元)。中國工程院院士、清華大學(xué)教授羅毅此前在接受媒體采訪時說，我國光電子芯片研究正和國際先進水平“并跑”。
值得注意的是，在制造工藝上，光子芯片對結(jié)構(gòu)的要求不像電子芯片那樣嚴(yán)苛。“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，使用我國已經(jīng)相對成熟的原材料和設(shè)備就能生產(chǎn)。”有二十余年芯片從業(yè)經(jīng)驗的中科鑫通微電子技術(shù)(北京)有限公司總裁隋軍說。
光芯產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嵙Ρ∪?/p>
正因為光子芯片的諸多優(yōu)勢，芯片由“電”到“光”的轉(zhuǎn)換，被視為國產(chǎn)芯片實現(xiàn)突破的重要技術(shù)路線之一。北京市第十三次黨代會報告中提到，“圍繞光電子、生命科學(xué)、低碳技術(shù)等領(lǐng)域前瞻布局未來產(chǎn)業(yè)。”
在中科鑫通展廳，記者見到了不同大小的光子芯片晶圓。“加工后的晶圓經(jīng)過切割等一系列工序后，就變成一顆顆芯片。”隋軍說，與用來制作電子芯片的硅晶圓不同，光子芯片晶圓的襯底雖然也是硅，但是在襯底上還覆蓋著一層氮化硅或薄膜鈮酸鋰等特殊光電材料。
在創(chuàng)辦中科鑫通前，隋軍已深刻體會到國內(nèi)企業(yè)在集成電路方面仍處于補短板的階段。“在電子芯片領(lǐng)域，即便用同樣的設(shè)備和材料，不同芯片代工廠生產(chǎn)出的芯片性能指標(biāo)卻大不相同，為什么?壁壘就在于工藝。”他說，目前的光子芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然沒有擺脫在設(shè)計和應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模較大，而在設(shè)備、制造、封測等基礎(chǔ)領(lǐng)域?qū)嵙θ跣〉木置妗?/p>
至今，我國尚沒有一家專業(yè)的光子芯片代工企業(yè)，國內(nèi)光子芯片行業(yè)尚未形成成熟的設(shè)計、代工、封測產(chǎn)業(yè)鏈。隋軍透露，中科鑫通目前正籌備建設(shè)國內(nèi)首條“多材料、跨尺寸”光子芯片生產(chǎn)線，將于2023年建設(shè)完成，能滿足通信、數(shù)據(jù)中心、激光雷達、微波光子、醫(yī)療檢測等領(lǐng)域的市場需求。該生產(chǎn)線建成后，將填補我國在光子芯片晶圓代工領(lǐng)域的空白，有望加速國產(chǎn)光子芯片替代的規(guī)?；M程。
光子芯片應(yīng)用未來可期
芯片除了應(yīng)用于通信、供電、溫度濕度感應(yīng)，還能進行病毒檢測。一個月前，在中關(guān)村前沿大賽集成電路領(lǐng)域決賽的舞臺上，隋軍在現(xiàn)場展示的生物光子芯片項目打開了不少人對芯片的想象空間。在光子芯片光波導(dǎo)上涂敷對病毒敏感的試劑，就能分析出病毒生物分子的類型以及含量。
生物檢測只是光子芯片的諸多應(yīng)用場景之一。近年來，光子芯片的應(yīng)用場景早已不局限于通信領(lǐng)域，廣義上的光子芯片在工業(yè)、消費電子、汽車、國防等領(lǐng)域均有非常廣泛的應(yīng)用。例如在人工智能領(lǐng)域，光子芯片可應(yīng)用于自動駕駛、語音識別、圖像識別、醫(yī)療診斷、虛擬現(xiàn)實等。此外，現(xiàn)在的云計算和數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)大量采用了基于光子芯片的光收發(fā)模塊，隨著數(shù)據(jù)中心對于算力的需求與日俱增，光子芯片也有望發(fā)揮更大的作用。
“未來兩三年,我們將充分利用已有科研成果，在諸如病毒快速檢測、激光雷達、量子計算機、大容量數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域提供切實可靠的國產(chǎn)核心芯片與方案支撐，加速國內(nèi)量子信息、人工智能以及6G等前沿領(lǐng)域的實用化與規(guī)模化發(fā)展。”隋軍說。(本報記者 孫奇茹)
關(guān)鍵詞： 光子芯片生產(chǎn)線 芯片產(chǎn)業(yè) 電子芯片 傳統(tǒng)集成電路元件
