跨越“納秒傳輸速度”的硅基光電子技術

莊嘉

2019年8月，華為申請了“光計算芯片、系統及數據處理技術”的發明專利，在2021年華為全球分析師大會上，明確表示正在研究光子計算

據阿里巴巴達摩院發布的“2022年十大科技趨勢”，“硅光芯片”赫然在列。若此語應驗，那么將催生信息時代的一項新技術革命，該項技術革命的基石就是硅基光電子技術。

硅基光電子技術堪稱“21世紀的劃時代技術”，將促進數據中心、量子通信、智能駕駛、消費電子等精細領域發生變革，有望解決網絡擁堵和延遲、數據極高速率傳輸、電子芯片物理極限等前沿問題。

“硅光芯片”被列入“2022年十大科技趨勢”的主要依據是：目前被廣泛應用的電子芯片已被人類發展到了物理極限，在數據傳輸和算力等方面遭遇瓶頸;硅光芯片被認為是最適合解決電子芯片物理極限問題的底層路徑，有望在數據傳輸和算力等方面突破“摩爾定律”。

實然，我們熟知被深度應用的電子芯片是受制于摩爾定律的。根據摩爾定律，當電子芯片的晶體管程達到3納米，便已接近物理極限，數據傳輸能力難以繼續翻倍。然而，“硅光芯片”卻能突破這些瓶頸，將信息算力提升到另一個高度！“硅光芯片”是指，在給磷化銦施加電壓時，光進入硅片的波導產生持續的激光束，從而驅動其他硅材質的芯片，進而集成到單一硅基芯片上，形成高集成度的“硅光芯片”。

北京郵電大學教授、博士生導師李培剛指出：“‘硅光芯片’是基于硅和硅基襯底材料，利用互補金屬氧化物半導體工藝進行光器件開發和集成，結合了集成電路技術超大規模、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率、超低功耗的優勢，與現有的半導體晶圓制造技術是相輔相成的。”基于此，不同于電子芯片，用光子代替電子進行信息傳輸，并結合光子和電子優勢的“硅光芯片”，具備光波導傳輸性好、功耗低、時延低、運算速度快等特質。一方面，在數據運輸上，光子解決了電子的物理極限問題;另一方面，在算力上，光子克服了線性運算的局限，應用矩陣乘法進一步提升了算力，延時遠遠低于電子芯片，且光子在傳播時不會發熱。

由此可見，“硅光芯片”的研發應用開辟了芯片發展的新賽道，將為超級計算、人工智能等新技術、新產業蓬勃發展提供有力支撐！從2018年開始，在“硅光芯片”的研發應用上，我國就步入了快車道。2018年8月，中國信科宣布我國首款商用“100G硅光收發芯片”正式投產。2019年9月，我國西永微電子產業園區的聯合微電子中心有限責任公司（以下簡稱“聯合公司”）實現了8英寸硅基光電子技術工藝平臺的通線，并正式向全球發布“180納米成套硅光PDK（工藝設計數據包）”，這標志著我國具備了硅基光電子領域全流程自主工藝制造能力。2021年12月，中國信息通信科技集團光纖通信技術和網絡國家重點實驗室聯合國家信息光電子創新中心（NOEIC）、鵬城實驗室，在國內率先完成了1.6Tb/s硅基光收發芯片的聯合研制和功能驗證，實現了我國“硅光芯片”技術向Tb/s級的首次跨越，并為我國下一代數據中心內的寬帶互聯提供了可靠的光芯片解決方案。目前，國際上400G光模塊已進入商用部署階段，800G光模塊樣機研制和技術標準正在推進中，而1.6Tb/s光模塊將成為下一步全球競相角逐的熱點。

此外，在“十四五”規劃中，上海、湖北、重慶、蘇州等地的政府均將“硅光芯片”列入重點發展產業清單中，明確提出發展“硅光芯片”與器件，重點突破硅光子、光通信器件等新一代光子器件的研發與應用，對光子器件模塊化技術、基于CMOS（互補金屬氧化物半導體）的硅光子工藝、芯片集成化技術、光電集成模塊封裝技術等方面的研究開展重點攻關。

實然，硅基光電子技術的應用不僅僅局限于“硅光芯片”，在很多領域均有其用武之地。在量子通信領域，日本、英國走在了世界前列。日本早在2019年就在處理器中引入光網絡技術，已經開發出了超小型光電變換元件，并正開發高性能、低耗電的光電融合型信息處理器件。該器件將應用于異構計算系統，節能、高通量數據處理以及超低延遲檢測、模式匹配處理等領域。英國則啟動了硅光子學項目，聚焦光電子集成的電信設備，完成了光子回路的晶片鍵合或光子金屬層的低溫制造，從而進一步提升通信效能。

在數據中心領域，日本在《尖端研究開發資助計劃（FIRST）》中將“光電子融合系統基礎技術開發（PECST）”列入其中，意圖在2025年實現“片上數據中心”的目標。2019年8月，我國華為申請了“光計算芯片、系統及數據處理技術”的發明專利，在2021年華為全球分析師大會上，明確表示正在研究光子計算。華為董事、戰略研究院院長徐文偉表示，“到2030年，全球算力需求將增加100倍，如何打造超級算力將是一個巨大的挑戰，未來光子計算面臨巨大的應用場景”。

在智能駕駛領域，我國聯合公司開發了國內領先的激光雷達光學相控陣天線。誠如該公司副總經理、技術總監郭進所言，“高集成度的硅光學相控陣技術是未來激光雷達在無人駕駛、無人機等領域全固態、小型化發展的必由之路。目前在核心發射芯片、系統及算法方面取得突破，有望在未來幾年開發芯片級激光雷達，并廣泛應用于自動駕駛與機器人領域”。

據英特爾的《硅基光電子技術產業發展規劃》透露，“硅光模塊產業已進入快速發展期。2022年，硅基光電子技術在每秒峰值速度、能耗、成本方面將全面超越傳統光模塊，預測硅光模塊的市場增速為40%，2024年將達到39億美元，屆時有望占據整體市場規模的21%”。

據悉，目前包括英特爾、比利時IMEC、新加坡AMF、格芯半導體、光迅科技、華為、海信等在內的世界500強企業均在布局硅基光電子技術。歐盟更是早在2013年就啟動了針對硅基光電子技術的PLAT4M（針對制造的光字庫和技術）項目，意圖打造硅基光電子技術的整個產業鏈，聚集了以法國微電子和納米技術研究中心 CEA-Leti為領跑者的包括德國Aifotec等公司在內的15家歐盟企業、研究機構及潛在用戶。

毫無疑問，不同于依賴電子為傳輸媒介的技術，硅基光電子技術充分運用了光子與電子融合，并借助硅為誘發，刺激光子突破電子的局限，以實現光子代替電子的作用。理論上，硅基光電子技術發展主要可以分為三個階段：第一階段，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達到工藝的標準化;第二階段，集成技術從耦合集成向單片集成演進，實現部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片;第三階段，光電一體技術融合，實現光電全集成化。把光和電都集成起來，實現更加復雜的功能。

中科院半導體研究所的王啟明院士表示：“目前，硅基光電子技術仍然處在第二階段。”雖然硅基光電子技術即將被應用于規模化商用，但不可否認的是，目前仍然存在技術難點需要攻破，比如設計工具非標準化、硅光耦合工藝要求較高以及晶圓自動測試及切割等技術性挑戰。

可以預見，在未來，硅基光電子技術將掀起又一次劃時代的技術革新，將人類社會從“電子的信息時代”引入“光子的信息時代”，從而突破信息傳輸速度“納秒門檻”，開啟人類探索微觀世界的嶄新視域！

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com

“硅光芯片”被列入“2022年十大科技趨勢”