光子芯片需要光刻機(jī)嗎

大家都知道，現(xiàn)在的電子芯片的發(fā)展已經(jīng)逐漸的逼近一個(gè)極限：摩爾定律。雖然現(xiàn)在認(rèn)為集成電路的技術(shù)發(fā)展還有一定的空間，但是最終還是有一個(gè)走到盡頭的時(shí)間，而且毫不夸張的說，這個(gè)時(shí)間也就是未來十來年的事情。那我們應(yīng)該怎么發(fā)展呢？

換一種方式，而光子芯片就是一個(gè)很不錯(cuò)的方向，光子芯片就是使用光子來進(jìn)行運(yùn)算的一種芯片，和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片相比較，光子芯片具有非常誘人的商業(yè)發(fā)展前景，比如說，光子芯片的運(yùn)算效率要比半導(dǎo)體電子芯片高很多，對(duì)比傳統(tǒng)電子人工智能芯片差距達(dá)到千倍級(jí)別，同時(shí)信息傳輸量更高，而更為值得關(guān)注的一點(diǎn)則是，光子芯片的能耗非常低，是傳統(tǒng)芯片的百分之一甚至更低，而半導(dǎo)體芯片的一大問題就是耗能高，就是因?yàn)檫@些個(gè)原因，也讓有些人覺得，有了光子芯片，半導(dǎo)體芯片就沒有必要了！

再說一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，大家都知道制造高端半導(dǎo)體芯片需要一個(gè)非常關(guān)鍵的設(shè)備：光刻機(jī)！而在高端的高制程芯片光刻機(jī)的研制方面，我們一直都未能獲得很好的突破，而且在進(jìn)口方面，一面面臨很大的禁令風(fēng)險(xiǎn)。

但是光子芯片的研制就沒有那么費(fèi)事了，就以現(xiàn)在我們國家的科研團(tuán)隊(duì)所最新研制出來的光子人工智能芯片來說吧，不但芯片的的設(shè)計(jì)是我們自己的，而且芯片的加工、封裝以及測試也全部是我們自己搞定的，其中就用到了我們自己的國內(nèi)130nm微電子工藝。可不要小看了這一點(diǎn)，這可是直接擺脫了我們對(duì)國外高制程光刻機(jī)的依賴。

當(dāng)然了，如果這個(gè)時(shí)候就直接說光子芯片可以取代電子芯片還是有點(diǎn)為時(shí)過早的，畢竟，光子芯片的發(fā)展還處于早期，所具備的技術(shù)優(yōu)勢還未能呈現(xiàn)出來的，現(xiàn)在還是一個(gè)苗頭，而現(xiàn)在光子芯片的發(fā)展給我們追趕甚至是超越西方的機(jī)會(huì)，需要我們做的就是抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，而這也是換道超車的機(jī)會(huì)吧！

光子芯片發(fā)展趨勢

光子產(chǎn)業(yè)（Photonics Industry）是推動(dòng)21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。光子學(xué)是關(guān)于光的科學(xué)和技術(shù)，特別是光的產(chǎn)生、指引、操縱、增強(qiáng)和探測。從通信到衛(wèi)生保健，從生產(chǎn)材料加工到照明設(shè)備和太陽能光伏，到日常使用的DVD播放器和手機(jī)，光子技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面。谷歌、通用汽車等信息通訊技術(shù)、制造業(yè)企業(yè)，對(duì)光學(xué)與光子技術(shù)十分依賴。

目前，光子芯片技術(shù)已經(jīng)由硅光子集成技術(shù)向納米光子學(xué)范疇邁進(jìn)。在材料方面，石墨烯等先進(jìn)材料的研究也有望將光子芯片技術(shù)的應(yīng)用推向新的高度。隨著光子技術(shù)的不斷發(fā)展，光子技術(shù)將幫助突破計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的局限；通過大幅增加數(shù)據(jù)容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，它將推動(dòng)通信行業(yè)進(jìn)入太比特時(shí)代，同時(shí)降低碳足跡和單位成本。

業(yè)界普遍認(rèn)為，光子學(xué)具有類似于電子學(xué)的發(fā)展模式，都是由光子器件向光子集成，光子系統(tǒng)方向發(fā)展。

大規(guī)模集成電路已經(jīng)走了近五十年的歷程。其主流技術(shù)CMOS的集成度每18個(gè)月翻一番（摩爾定律）。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增強(qiáng)。現(xiàn)代科技可以說是以此為基礎(chǔ)的。而集成光路技術(shù)的發(fā)展會(huì)帶來同樣的效應(yīng)。集成后的光器件除了功能上的益處外，其在總體成本上的益處比起集成電路來更勝一籌。由于單立光器件的封裝成本要占到器件成本的2/3，集成可以大規(guī)模降低單立光器件的數(shù)量，從而降低總體的成本。同時(shí)，封裝界面的減少也會(huì)是集成器件的性能成倍的提高。

目前比較經(jīng)濟(jì)的發(fā)展思路是將集成光子工業(yè)基于微電子工業(yè)之上，使用硅晶作為集成光學(xué)的制造平臺(tái)。這將使全球歷時(shí)五十年、投入數(shù)千億美元打造的微電子芯片制造基礎(chǔ)設(shè)施可以順理成章地進(jìn)入集成光器件市場，將成熟、發(fā)達(dá)的半導(dǎo)體集成電路工藝應(yīng)用到集成光器件上來，一下子將集成光學(xué)工業(yè)的水平提高。這正是目前發(fā)展良好的硅光子技術(shù)的發(fā)展思路。

Computercom DrivingDevelopment and Large-Scale Deployment of Parallel Optical Transceivers

雖然硅光子還面臨很多技術(shù)瓶頸，但在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的向心力下，正在被一個(gè)一個(gè)的克服，產(chǎn)業(yè)界對(duì)硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心。尤其是數(shù)據(jù)中心的短距離應(yīng)用，讓硅光子找到了最合適的用武之地。數(shù)據(jù)中心的巨大潛力，以及英特爾等廠商的大力推動(dòng)，促使硅光子的研發(fā)進(jìn)程進(jìn)一步加速。目前，硅光子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入集成應(yīng)用階段。

根據(jù)Yole Développement在2014年針對(duì)硅光子產(chǎn)業(yè)的報(bào)告，硅光子的產(chǎn)業(yè)鏈與電子集成電路的產(chǎn)業(yè)鏈相似，上游主要包括晶圓、制造設(shè)備和原材料供應(yīng)商，中游則是負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、制造和封裝的芯片公司，下游則主要分為光互連公司、服務(wù)器公司和谷歌、亞馬遜、微軟等最終用戶公司。Yole Développement認(rèn)為，最終用戶公司是硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心方面研發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力。

硅光子技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)主要來自技術(shù)方面。激光光源的集成便是一個(gè)主要技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)此，銻化銦芯片上的激光芯片后端處理或?qū)⑹且粋€(gè)值得關(guān)注的方法。功耗問題也很重要。目前的功耗水平大約在10pJ/bit，2025年的目標(biāo)是要將功耗降低到200fJ/ bit以下。此外，產(chǎn)業(yè)界也需要從并行光纖發(fā)展至波分復(fù)用技術(shù)（wavelength division multiplexing，WDM），大多數(shù)廠商都在其產(chǎn)品路線圖中規(guī)劃了波分復(fù)用技術(shù)。

封裝也是目前的主要技術(shù)障礙，約占最終收發(fā)器產(chǎn)品成本的80~90%，主要由于光學(xué)校準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格，并且增加了組裝所需要的時(shí)間。現(xiàn)在，MEMS技術(shù)或能幫助解決這些問題，Kaiam公司和Luxtera公司在這方面做了很多開拓性的工作，并建立了一些方案來提供低成本光子組裝試驗(yàn)產(chǎn)線，尤其是在歐洲。這些技術(shù)挑戰(zhàn)都和成本相關(guān)，目標(biāo)是從目前的5美元/Gb，到2020年降至0.1美元/Gb以下。

雖然硅光子技術(shù)供應(yīng)鏈正在逐步形成過程中，落后主流的硅半導(dǎo)體供應(yīng)鏈好多年。然而，縱觀全球，大舉的研發(fā)并購和相關(guān)項(xiàng)目正在進(jìn)行，為現(xiàn)有廠商做好知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局。對(duì)于外包半導(dǎo)體組裝和測試廠商來說，由于市場對(duì)低成本封裝解決方案的需求，其機(jī)遇也必定會(huì)增加。隨著晶圓消耗數(shù)量的增長，將驅(qū)動(dòng)成本不斷降低，硅光子代工廠必定會(huì)涌現(xiàn)出來。

圖表：未來硅光子集成發(fā)展路線圖

資料來源：Optoelectronics Research Centre， University of Southampton

目前國外的主流企業(yè)認(rèn)為，硅光子下一款產(chǎn)品或許將會(huì)是基于硅光子技術(shù)的收發(fā)器。除此之外，硅光子技術(shù)也將應(yīng)用于其它產(chǎn)品，如光學(xué)生物傳感器、氣體傳感器以及無人駕駛汽車應(yīng)用的激光雷達(dá)傳感器等。硅光子技術(shù)能夠通過光學(xué)功能集成和微型化進(jìn)一步獲得有價(jià)值的產(chǎn)品，由此將推動(dòng)兩種特別有前景的應(yīng)用發(fā)展，它們分別是無人駕駛汽車應(yīng)用的激光雷達(dá)傳感器和生化傳感器。

美國一直注重光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，早在1991年就成立了“美國光電子產(chǎn)業(yè)振興會(huì)”（OIDA），以引導(dǎo)資本和各方力量進(jìn)入光電子領(lǐng)域。2008~2013年，DARPA開始資助“超高效納米光子芯片間通訊”項(xiàng)目（Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications，UNIC）。目標(biāo)是開發(fā)和CMOS兼容的光子技術(shù)用于高通量的通訊網(wǎng)絡(luò)。2014年，美國建立了“國家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計(jì)劃開發(fā)，支持4大研究領(lǐng)域及3個(gè)應(yīng)用能力技術(shù)開發(fā)，并提出了每一項(xiàng)可開發(fā)領(lǐng)域的機(jī)會(huì)和目標(biāo)。

美國以IBM、Intel、Luxtera公司為代表，近年來都在光互連技術(shù)研發(fā)方面取得了不錯(cuò)的成績。

日本發(fā)展光電子技術(shù)時(shí)間也較早，1980年，為推動(dòng)光電子技術(shù)的發(fā)展，日本成立了光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)（OITDA）。在產(chǎn)業(yè)化及市場方面，由于光電領(lǐng)域的重大技術(shù)發(fā)明多產(chǎn)生于美國，因此，早期日本政府主要是靠引進(jìn)外國技術(shù)進(jìn)行消化吸收，后期則是自主創(chuàng)新過程。2010年，日本開始實(shí)施尖端研究開發(fā)資助計(jì)劃（FIRST），該計(jì)劃由日本內(nèi)閣府提供支援。FIRST計(jì)劃是從600個(gè)提案中選出30個(gè)核心科研項(xiàng)目予以資助，項(xiàng)目資助的總金額達(dá)到1000億日元。光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)（PECST）是FIRST計(jì)劃的一部分，以在2025年實(shí)現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”為目標(biāo)。

硅光子技術(shù)在歐洲各國也受到了廣泛的關(guān)注。2010年前，為了發(fā)展光電子集成電路（OEIC），歐洲發(fā)起了幾大項(xiàng)目：PICMOS項(xiàng)目驗(yàn)證硅回路上InP鍵合器件的全光鏈路；隨后發(fā)起的WADIMOS項(xiàng)目進(jìn)一步驗(yàn)證光網(wǎng)絡(luò)；英國硅光子學(xué)項(xiàng)目和歐洲HELIOS項(xiàng)目主要關(guān)注光電子集成的電信設(shè)備，可以完成SOI光子回路的晶片鍵合或光子金屬層的低溫制造。從2013開始， 歐盟的節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)和量子點(diǎn)材料的異質(zhì)集成（SEQUOIA）項(xiàng)目一直在開發(fā)具有較好的熱穩(wěn)定性、高調(diào)制帶寬以及可能產(chǎn)生平面波分復(fù)用蜂窩的混合III-V激光器。作為歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）研發(fā)領(lǐng)域的具體目標(biāo)研究項(xiàng)目（STREP）之一，IRIS項(xiàng)目由愛立信與歐洲委員會(huì)聯(lián)合創(chuàng)建，旨在利用硅光子技術(shù)，創(chuàng)建高容量和可重構(gòu)WDM光交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)在單個(gè)芯片上整體集成電路。

2013年，歐盟啟動(dòng)4年期針對(duì)硅光子技術(shù)的歐盟PLAT4M（針對(duì)制造的光字庫和技術(shù)）項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目的是打造硅光子技術(shù)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，聚集了以法國微電子和納米技術(shù)研究中心CEA-Leti為領(lǐng)導(dǎo)的包括德國Aifotec公司等在內(nèi)的15家歐盟企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)以及潛在用戶。

在硅基光子學(xué)研究方面，我國較早開展了相關(guān)研究，例如中科院半導(dǎo)體研究所的王啟明院士近年來專心致力于硅基光子學(xué)研究，主持了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“硅基光電子學(xué)關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究”，在硅基發(fā)光器件的探索、硅基非線性測試分析等方面取得了許多進(jìn)展。但從整體來看，我國對(duì)硅基光子學(xué)的研究與世界相比還有一定差距。

我國硅光子產(chǎn)業(yè)也處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱。目前，光迅科技、華為、海信都已經(jīng)在硅光子產(chǎn)業(yè)開展部署規(guī)劃，光迅科技已經(jīng)投入研發(fā)探索硅光集成項(xiàng)目的協(xié)同預(yù)研模式，力爭打通硅光調(diào)制、硅光集成等多個(gè)層面的合作關(guān)節(jié)，但是國內(nèi)整體技術(shù)發(fā)展距離發(fā)達(dá)國家仍有較大的差距。中國在光電子器件制造裝備研發(fā)投入分散，沒有建立硅基和 InP 基光電子體系化研發(fā)平臺(tái)。隨著國內(nèi)企業(yè)綜合實(shí)力逐漸增強(qiáng)，以及國家集成電路產(chǎn)業(yè)的扶持，國內(nèi)廠商需要不斷加快推進(jìn)硅光子項(xiàng)目。