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更快更強，光子晶片迎來產業爆發！
1965年，英特爾共同創辦人戈登·摩爾提出摩爾定律，預測每隔18個月到24個月，晶片的電晶體密度就會增加一倍。然而，以矽為基礎的電子晶片發展了幾十年後，承載能力已逼近物理理論的極限。
光子晶片的出現，被視為突破摩爾定律的重要途徑之一。
近日，香港城市大學副教授王騁團隊與香港中文大學研究人員合作，利用鈮酸鋰為平台，開發出處理速度更快、能耗更低的微波光子晶片，可運用光學進行超快模擬電子訊號處理及運算。
相關研究成果於2月29日發表於《自然》。據悉，整合鈮酸鋰微波光子晶片不僅速度比傳統電子處理器快1000倍，且具有超寬處理頻寬和極高的運算精確度，能耗也更低。
如今光子晶片這一概念不再陌生，關於光子晶片領域的新技術也頻頻湧現。例如2022年12月，上海交通大學電子資訊與電機工程學院電子工程系鄒衛文教授團隊就提出了光子學與運算科學交叉的創新思路，研發了實現高速張量卷積運算的新型光子張量處理晶片，相關成果以「基於整合光子晶片的高階張量流式處理」為題發表在《自然》期刊上。
此外，中國科研人員在光子積體電路、光子電晶體、光計算等方面也取得了重要突破。這些成果不僅展現了中國在光子晶片技術方面的實力，也為全球光子晶片產業的發展做出了重要貢獻。
近10年來，光子技術已成為新一代資訊科技、人工智慧、智慧汽車、醫藥健康等下一個應用領域關注的焦點，也被相關國家視為維持國際市場先進地位的關鍵技術之一。
光子技術為什麼如此受重視？半導體產業縱橫帶領大家一探究竟！
01 光子技術為何備受青睞？
光子晶片簡單說就是利用光訊號進行資料取得、傳輸、運算、儲存和顯示的晶片。光子晶片在當下時代備受追捧主要得益於其兩方面的優勢：其一為性能優勢；其二則是製造優勢。
優點一：高運算速度、低功耗、低時延
相較於傳統的電子晶片，光子晶片有許多優勢，主要表現為高速率和低功耗。光訊號以光速傳輸，速度大幅提升；理想狀態下，光子晶片的運算速度比電子晶片快約1000倍。光子運算消耗能量少，光運算功耗可望低至每位元10—18焦耳（10—18J/bit），相同功耗下，光子裝置比電子裝置快數百倍。
另外，光具有天然的平行處理能力以及成熟的波分複用技術，從而使光子晶片的數據處理能力、容量及頻寬均大幅度提升；光波的頻率、波長、偏振態和相位等資訊可以代表不同的數據，且光路在交叉傳輸時互不干擾。這些特性使得光子擅長做平行運算，與多數計算過程花在「矩陣乘法」上的人工神經網路相契合。
整體而言，光子晶片具有高運算速度、低功耗、低時延等特點，且不易受到溫度、電磁場和雜訊變化的影響。
優勢二：工藝要求不高
與積體電路晶片不同，光晶片對製程要求相對不高，而外延設計及製造才是技術門檻最高的核心部分。光的技術路線具有高速度、低能耗、抗串擾等優勢，可以取代電做的許多事情。
中科鑫通微電子技術（北京）有限公司總裁隋軍曾表示「光子晶片不會像電子晶片那樣必須使用極紫外光刻機（EUV）等極高端的光刻機，使用我國已經相對成熟的原料和設備就能生產。”
02 替代電子晶片？
說到光子晶片是否會取代電子晶片，我們首先要了解的便是電子晶片當下正在面臨的瓶頸。
電子晶片正在面臨的第一個困擾便是摩爾定律的限制。在過去近50年裡，電晶體的密度可以每18-20個月翻一倍，但從物理的角度來講，一個原子的大小就有接近0.3個奈米，當半導體製程達到3奈米後，就已經非常接近物理極限，所以要復刻過去的每18-20個月翻一倍幾乎沒有可能。
第二個困擾是耗電量與發熱的問題。2015年以後，隨著電晶體越來越小，電晶體上的穿隧現象越來越嚴重，所以即使能把電晶體做得更小，單一電晶體在進行運算時的功耗也沒辦法進一步降低，片上的熱無法更有效散發出去，限制了算力的提升。
第三個是存力與算力的不足。過去幾十年來處理器的效能以每年約55%的速度提升，而記憶體效能的提升速度約為每年10%，長期累積下來，不平衡的發展速度造成了目前記憶體的存取速度嚴重滯後於處理器的運算速度，訪存瓶頸導致高效能處理器難以發揮應有的功效。簡單來講，就是大量資訊儲存不過來、計算不過來。
第四點則是性價比。業界普遍認為，28奈米是晶片性價比最高的尺寸。根據SEMI國際半導體產業協會的晶片主流設計成本模型圖，採用FinFET製程的5奈米晶片設計成本已是28奈米製程設計成本的近8倍，更複雜的GAA結構的設計成本只會更高，這僅是晶片設計、製造、封裝、測試中的設計環節。製造環節的晶圓代工廠的研發、建廠、購買生產設備耗費的資金會更多，例如三星在美國德州計畫新建的5奈米晶圓廠預計投資高達170億美元。
以上種種資訊都在表明，在某些情況下，電子晶片已經不再適用，注意這裡所說的是「某些情況下」。因為目前在晶片領域，電子晶片仍佔據主導地位，特別是儲存領域，仍是電儲存晶片的天下，光儲存還未實現量產突破。在傳輸相關領域，如光通訊上，光子晶片已經被大量使用，佔主要地位。在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電整合的結合，還需要很長一段時間逐步替代，才能實現全光運算。
從產業發展角度來看，光子對電子並不是替代關係，精確地講述光子產業是對電子產業的升級，能夠催生新的產業。
03 光子晶片是人工智慧的基石
過去電子晶片主要應用於運算和儲存領域，而光子晶片可在資訊取得、資訊傳輸、資訊處理、資訊儲存及資訊顯示等領域催生眾多新的應用場景。
在資訊取得方面，雷射雷達、光感將在人工智慧、自動駕駛、物聯網等領域形成新的應用場景。
在資訊傳輸方面，形成了5G、光通訊、量子通訊等為代表的應用場景，產業規模龐大。
在資訊處理方面，形成了光子計算、量子計算等應用場景，未來將大幅提升電腦效能。
在資訊儲存方面，5D雷射儲存、光收發模組等將形成雲端運算與大數據中心等新的應用場景。
在資訊顯示方面，將形成VR、AR及microLED等新的資訊顯示應用場景。
此外，光子晶片在生命健康、超導材料以及國防裝備等方面，將形成神經光子學、免疫分析、高超音速武器等新的重大應用場景。
如果說資訊時代的基礎設施是電子晶片，那麼人工智慧時代將更依賴光子晶片。
04 佈局光子晶片，各國均在路上
早在1980年代，美日歐等已開發國家就開始投入佈局光子技術與產業。
目前光子晶片發展正處於類似當年大規模積體電路發展初期的關鍵節點，即將迎來產業的大爆發。
從市場格局來看，美國是矽光子領域起步最早也是發展最好的國家，1991年美國便成立了“美國光電子產業振興會”，以引導資本和各方力量進入光電子領域。2014年，美國又建立了「國家光子計畫」產業聯盟，明確將支持發展光學與光子基礎研究與早期應用研究計畫開發。
歐洲和日本也在跟進，歐盟將光子技術納入「地平線2020」、「（ECSEL JU）年度戰略計畫」等國家戰略；日韓則加大對光子技術的研發和支持，以維持其業界領先的地位。
中國大概在2010年後開始入局光晶片賽道。目前，中國本土的高功率雷射晶片、部分高速率雷射晶片（10G、25G等）等已處於國產化加速突破階段，而光探測晶片、25G以上高速率雷射晶片剛起步，本土化還有較長的路要走。
廠商方面，中國本土光晶片企業主要關注工業/國防等高功率應用，這也是它們主要的營收來源，因此，在高功率雷射晶片方面，本土企業具備與II-VI、Lumentum等國際大廠進行競爭的能力。但在光通訊、消費性應用領域，與國際大廠差距較大，是下一步努力的重點。光通訊市場空間廣闊，同時，光通訊、VCSEL等光晶片製造製程與高功率雷射晶片製程多用程度較高，中國本土企業可基於自身技術累積切入。
在高功率雷射晶片方面，美國和歐洲在高功率雷射晶片方面的產業化起步較早，技術上具備領先優勢，傳統巨頭包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。不過隨著中國本土雷射晶片技術不斷突破，相關產業處於快速發展期，主要廠商包括長光華芯、武漢銳晶、華光光電、度亙雷射、深圳瑞波等。
在光探測晶片方面，First-sensor、濱松、Kyosemi、安森美、濱松、博通等公司掌握關鍵的技術方案。中國本土企業在光探測晶片領域的市佔率較低，主要原因在於沒有完整的生產加工系統。主要公司有光迅科技、光森電子、三安光電、靈明光子、阜時科技等。
在VCSEL方面，國際大廠Lumentum、II-IV憑藉技術優勢主導VCSEL晶片市場，根據Yole統計，Lumentum、II-IV兩家公司在2021年的市場合計份額超過80%。中國本土感測應用類VCSEL晶片企業主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、檸檬光子、博升光電、瑞識科技等，大多是創業型公司，VCSEL晶片量產能力有限，與國際大廠之間還有明顯差距。不過，憑藉後發優勢，這些中國本土企業正努力趕上國際先進技術和產品發展腳步。
在矽光晶片方面，全球矽光技術及產業化領先的玩家主要包括英特爾、思科和Inphi，近年來，思科、華為、Ciena、Juniper等知名企業紛紛透過收購來佈局矽光技術，Marvell、思科、諾基亞等斥資百億美元先後收購Inphi、Acacia、Elenion 等矽光領域的創新企業。英特爾和台積電都在大力開發矽光子製造製程技術，已經形成較完整的矽光晶片產業鏈。
05 在高速通訊、量子運算領域大放異彩
高速通訊是光子晶片領域的重要應用之一。與傳統的電訊號相比，光訊號傳輸具有更高的速度、更大的容量和更低的能耗。光子晶片利用光的傳輸特性，能夠實現高速的光訊號傳輸，為現代通訊技術的發展提供了強而有力的支援。
在中國的高速通訊網路建置中，光子晶片被廣泛應用於光纖傳輸系統、光子交換器、光放大器等關鍵設備中，使得通訊網路的傳輸速度和頻寬得到了顯著提升。例如，中國在全球首次實現了1 Tb/s的高速光通訊傳輸，在海底光纖通訊網路中也取得了重大突破。這些成果不僅推動了中國通訊產業的快速發展，也在全球引起了極大的關注。
光子晶片在量子運算領域也展現出巨大的應用潛力。量子運算作為一種新型的運算模式，利用量子力學的特性進行運算，有著比傳統電腦更高的運算效率和更強的運算能力。而光子晶片正是實現量子運算的關鍵技術之一。中國在光子晶片的研究中取得的重要突破，為量子運算的實現提供了新的可能性。
中國科學家在單光子處理、量子糾纏等關鍵領域取得了重要進展，為光量子運算的實際應用奠定了基礎。目前，中國已經建成了世界上第一台光量子計算機，並在相關的理論與演算法研究上取得了國際領先地位。這些成果不僅對我國科技實力的提升至關重要，也對全球量子運算技術的發展有著重要的推動作用。
06 哪裡將成為中國的「光子之城」？
中國的一些城市在光子晶片領域已經展現了強大的潛力和實力。
由中國科學院西安分院、陝西省科學院和西安高新技術產業開發區管理委員會指導支持，陝西光子創新中心、西科控股、中科創星、硬科技智庫（西安市中科硬科技創新研究院）和光電子先導院共同編寫的《光子時代：光子產業發展白皮書》中詳細展示了武漢、西安、蘇州、無錫四座城市在光子產業方面的體系化佈局及優勢分析。
《白皮書》顯示，西安為國家佈局的四個「雙中心」城市之一和西北地區唯一的國家中心城市，目前其光子產業集群已初具規模，初步形成了光子製造、光子資訊、光子感測等產業集群，在特定關鍵核心技術等方面擁有較強的領先優勢。同時，200餘家光子技術企業集聚西安，培育孵化了炬光科技、萊特光電、中科微精、奇芯光電等一批國內光子領導者。預計2023年，西安將實現千億級產業規模目標。
武漢是全國較早進行光電產業基地規劃與佈局的城市，也是我國光子產業的領先先鋒和產業高地。武漢以「中國光谷」建設為引領，加速光子產業佈局，光子產業主體總量突破19.1萬戶，建成了全球最大的光纖光纜產業基地，銷量全球第一，光器件研髮生全國第一，通信系統設備研發位居全球第一方陣，未來將打造以光電子資訊技術為基礎、未來產業與經濟社會深度融合的「世界光谷」。
蘇州被稱為“中國光電纜之都”，形成了國內最為完整的光通訊產業鍊和最具影響力的產業集群，在全國乃至國際上樹起了蘇州光通訊的整體區域品牌。蘇州將光子產業定為全市“1號產業工程”，推出“高光20條”，加速搶佔光子產業“制高點”，擁有一批光子領域高企（高成長企業）、瞪羚（指創業後跨過死亡谷，以科技創新或商業模式創新為支撐進入高成長期的中小企業）、獨角獸培育企業，其中，光子領域國家級高企數量達142家，形成了完善的企業梯次發展方陣。
無錫是我國較早佈局半導體產業的地區之一，被稱為中國積體電路產業人才的「黃埔軍校」。《白皮書》顯示，2022年，無錫半導體產業規模居全國第二，其中封裝測試和配套支撐位居全國第一，在光子晶片逐漸成為未來產業不可或缺的重要產品後，無錫緊抓新機遇，加速佈局光子產業，推出“新光18條”，圍繞矽光產業領域，打造光子晶片中試線，並在產業鏈上中下游積累了一批重大平台和龍頭企業，同時積極向光感測、光計算、光通訊等其他應用領域延伸。
除了上述幾家城市，北京作為中國首都和科技創新中心，擁有眾多大學和研究機構，以及一群優秀的科技企業，為光子晶片的研發和產業化提供了良好的環境和資源。上海作為中國最大的城市之一和經濟中心，也在光子晶片領域進行了大量的投入和研發，並且已經取得了一定的成果。
然而，要成為真正的“光子晶片之城”，這些城市還需要在技術研發、人才培養、政策支援等方面做出更多的努力。同時，也需要考慮光子晶片產業的全球競爭態勢，積極參與國際合作，推動光子晶片產業的全球發展。(半導體產業縱橫)