猛擎科普:繼碳基晶片之後,華為轉向光子晶片

碳基晶片來了，彎道超車！

光子晶片來了，彎道超車！

似乎蘋果三星已經被按在地上摩擦，淪為了過去式的老爺車。

近日，有人提到，關於中國科研人員研發的光子晶片，如果能成功，那麼將可以應用於華為。而相關人士透露，這主要是因為首個軌道角動量的波導光子晶片被其研發出來，進一步實現光子OAM（軌道角動量）能在波導中近乎無損的有效傳輸，且就此申請專利。

手機的晶片

一般情況下，晶片工藝的製作是從設計研發，到生產，再到封測三大階段。後兩者還需要用到我們常說的光刻機，這也是製作環節的硬核。它的工作原理類似相片曝光，利用具光線的曝光將掩膜版中的圖形紋理給印在矽片上。

所以我們先了解下常見晶片，手機晶片（chip）都是矽材質，且大多採用單晶矽。晶圓（Wafer）就是半導體載體的矽晶片，在該晶圓體中每個小點的單體晶片則是裸片（Die）。

設計晶片時，需要使用EDA方式

即通過CAD軟體採用EDA方式實現集成晶片的設計，而設計如果無法做好，則不能達到集成效果，只能算是強硬的拼接。

而手機廠在設計中，要將這一系列的晶片組合在一起，怎麼說呢？由於為了不佔據空間，採用的ARM（英國一家設計公司）精簡指令設計模板，如果單一的晶片，性能非常差。因此要將每個晶片集成起來，但此項技術是大部分企業沒有突破的，僅有蘋果，ARM，高通，三星等為數不多的企業能做到。

這就是為什麼蘋果的集成晶片性能好出那麼多，以及英特爾比AMD同nm級下，依然比ADM性能強大許多（AMD也是集成，但是沒有英特爾做得更好）。其他的企業，一般都是把晶片黏貼在一起組裝的，並非做到了集成。

集成晶片是由哪些晶片構成的呢？

一、CPU（即中央處理器），它會在手機或者電腦中進行計算，相當於核心大腦。

二、GPU（即圖形處理器），用於顯示圖形工作處理，目前手機中大多為3D的GPU，間接的給CPU減負，也是除CPU外最核心的一塊晶片了。

三、NPU（即神經網絡晶片），主要負責視頻，圖像等多媒體數據處理。

四、MCU（即單片微型計算機，擴容晶片），將CPU的頻率跟規格縮減，另一個作用是把運行內存等元件統一的整合在單一晶片中。

五、ASIC（即定製集成電路），將所有元器件集成在電路中，相當於我們常說的電路板，可根據客戶設計單獨定製。

六、DSP（即數位訊號晶片），利用硬體乘法器，來達到對各種數位訊號處理的計算工作。

七、FPGA（即半定製電路），是設計可調控，生產即固定的可編程器，彌補定製電路不足與編程器電路數缺陷。

八、SOC（即可定製晶片），屬於系統級別，常見的有可用於視頻電話等方面（但在國外，其功能遠遠不止於此），也可以包含CPU、GPU等等。因為具備複雜指令的IP核，加上定製化，導致功能非常多。這個產品的技術含量極高，很少有企業能做出來，目前我國的企業都倒在了這裡。SOC晶片是未來手機最主要的發展方向，因為其運行能力遠強於其他晶片。

九、BIOS（輸入輸出晶片），在啟動後，對硬體檢測與初始化功能。屬於只讀存儲器，不供電情況下也可以保留數據。

十、CMOS（臨時存儲器），保留BIOS中的設置信息及系統時間，日期等，臨時存儲器，斷電後數據丟失。

十一、DRAM（即動態隨機存取存儲器），短時間保留數據，需要定時刷新。

十二、NAND（即快閃記憶體），它的存儲數據不易丟失，斷電後依舊可以保留數據，提升了存儲容量，一般保障重要數據。

十三、SRAM（即靜態隨機存取存儲器），與DRAM相反，不刷新可保留數據，不過斷電後依然數據丟失。

十四、ROM（只讀存儲器），斷不斷電都可以保留數據，雖然不是硬碟，但功能類似於電腦硬碟。

十五、IC（電源開關晶片），顧名思義按鍵開關後，該晶片帶動電源。

十六、LED（發光晶片），手機信號燈一閃一閃的，有時候綠色有時候橙色，就是這個晶片在搗鬼，當然除此之外，還負責照明技術。

十七、CIS（傳感器晶片），需要配合CIS傳感器，兩者聯通點對點收發，如攝像頭至CIS晶片的圖像處理等。

十八、永久晶片（別名印表機晶片），因為屬於壟斷型晶片，所以很多人不知道，但類似於北鬥，大多軍用。壽命長，無差別工作。

十九、M晶片（視頻監控晶片），在國內屬於被壟斷領域，由三大企業掌控，據說國外的該晶片性能更好一些，但一直無法進入市場。

二十、航天晶片，被壟斷行業，倒是有一家民企，未來或許會國企改革。

二十一、北鬥晶片，具備基帶晶片，RF射頻晶片及微處理器的晶片組，國內壟斷企業。

二十二、載波晶片，電力網絡收發器，具體參數不詳，壟斷行業。

當然晶片的種類有很多，還有物聯網，AI（人工智慧，甚至是互交功能），RFID（視頻識別），雷達，網卡等晶片。手機的設計商們，需要把以上核心的晶片集成在一起，才能最大化性能。

光子晶片是什麼原理？

單光子晶片由英特爾和美國加州大學共同研製，把原本具備發光屬性的磷化銦，跟矽的光路融合至單個混合晶片裡。於是在增加電壓後，磷化銦的光，便會衝進矽體晶片中的波導，從而產生持續的雷射束，最終由這種雷射束來驅動手機晶片上的器件。

同樣的原理在光纖中早已上演，不過其導體為玻璃或塑料。

我們的軌道角動量波導光子晶片，是將以上光在通過波導內以後，能夠高效高保真地傳輸低階OAM模式，傳輸效率約為60%。此外，三比特中那「高維量子比特（qutrit）」態，也比矽導體的雙比特「量子比特（qubit）」態要好，該波導確實有可能對高維量子態擁有操控和傳輸的能力。

光子晶片VS矽晶片

事實上，電流傳播速度大約等光速，為3×10^8m/s。光子晶片速度比矽晶片提高50倍，功耗卻只有其1%，確實能夠極大壓縮成本。

那麼光子晶片是否可以實現

但是，根據目前的研究表明，仍然無法讓OAM存在於晶片內部。這一方面是由於生產設備問題，另外一方面，則是傳輸中，無法掌握具體數據。以及由於扭曲光本身是自旋波導，加上螺旋形波陣的反衝，導致最後沒有找到合適的位置。

不過磷化銦會致癌，屬於2A類呼吸級致癌物，當然主要原因還是技術層面的問題。曾經英特爾就表示，此項技術依然需要很久，至少不是目前（十年內）可以做到的，當然等可以研發出的那天，標誌著矽光子晶片成本的壓縮。

超車的方向很重要

常常有人說就算我們研發了5nm晶片或者光刻機，但是西方科技肯定更領先，絕對不能在一棵樹上吊死，要彎道超車云云。

其實這是需要有一定的知識儲備或者說基礎才行，如果在條件未充足的情況下，那麼就像一輛三輪車想以60碼速度超過汽車，在彎道上就會翻車，沒什麼可以繼續老話長談的。甚至在晶片領域，我們什麼都沒有，研發，生產，設備等等，這就更應該紮實基礎。

哪怕要彎道超車，也選擇我們較有優勢的領域，超到全球一流或者頂級，這個可能性總比晶片來的高。不知道樓下的讀者們，是怎麼認為的呢？