計算速度比電子芯片快約1000倍，功耗卻更低——光子芯片，成為當下各國爭相布局的前沿產業。隨著芯片技術升級迭代，光子芯片有望成為新一代信息領域的底層技術支撐，正催生一大批新應用、新產業，擁有巨大的市場前景。記者從中關村前沿科技企業中科鑫通獲悉，國內首條“多材料、跨尺寸”的光子芯片生產線預計將于2023年在京建成，填補我國在光子芯片晶圓代工領域的空白。
芯片產業向“光”而行
通俗地說，在傳統的電子芯片中，數據傳輸的載體是電子，而在光芯片中，數據傳輸的載體變成了光子。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，英特爾聯合創始人戈登·摩爾提出摩爾定律，預測每隔18個月到24個月，芯片的晶體管密度就會增加一倍。然而，以硅為基礎的電子芯片發展了幾十年后，承載能力已經逼近物理理論的極限。光子芯片的出現，被看作突破摩爾定律的重要途徑之一。
一位芯片行業資深從業者介紹，當電子通過晶體管等傳統集成電路元件時，會遇到阻力并產生熱量。隨著設計者不斷將更多元件添加到芯片之中，產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，因此其產生的熱量更少、能耗更低、計算速度也更快。
全球權威IT咨詢公司Gartner預測，到2025年全球光芯片市場規模有望達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，光子芯片對結構的要求不像電子芯片那樣嚴苛。“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，使用我國已經相對成熟的原材料和設備就能生產。”有二十余年芯片從業經驗的中科鑫通微電子技術(北京)有限公司總裁隋軍說。
光芯產業基礎領域實力薄弱
正因為光子芯片的諸多優勢，芯片由“電”到“光”的轉換，被視為國產芯片實現突破的重要技術路線之一。北京市第十三次黨代會報告中提到，“圍繞光電子、生命科學、低碳技術等領域前瞻布局未來產業。”
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。
在創辦中科鑫通前，隋軍已深刻體會到國內企業在集成電路方面仍處于補短板的階段。“在電子芯片領域，即便用同樣的設備和材料，不同芯片代工廠生產出的芯片性能指標卻大不相同，為什么?壁壘就在于工藝。”他說，目前的光子芯片產業發展依然沒有擺脫在設計和應用領域規模較大，而在設備、制造、封測等基礎領域實力弱小的局面。
至今，我國尚沒有一家專業的光子芯片代工企業，國內光子芯片行業尚未形成成熟的設計、代工、封測產業鏈。隋軍透露，中科鑫通目前正籌備建設國內首條“多材料、跨尺寸”光子芯片生產線，將于2023年建設完成，能滿足通信、數據中心、激光雷達、微波光子、醫療檢測等領域的市場需求。該生產線建成后，將填補我國在光子芯片晶圓代工領域的空白，有望加速國產光子芯片替代的規模化進程。
光子芯片應用未來可期
芯片除了應用于通信、供電、溫度濕度感應，還能進行病毒檢測。一個月前，在中關村前沿大賽集成電路領域決賽的舞臺上，隋軍在現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用場景之一。近年來，光子芯片的應用場景早已不局限于通信領域，廣義上的光子芯片在工業、消費電子、汽車、國防等領域均有非常廣泛的應用。例如在人工智能領域，光子芯片可應用于自動駕駛、語音識別、圖像識別、醫療診斷、虛擬現實等。此外，現在的云計算和數據中心，已經大量采用了基于光子芯片的光收發模塊，隨著數據中心對于算力的需求與日俱增，光子芯片也有望發揮更大的作用。
“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、大容量數據通信等領域提供切實可靠的國產核心芯片與方案支撐，加速國內量子信息、人工智能以及6G等前沿領域的實用化與規模化發展。”隋軍說。(本報記者 孫奇茹)
