矽光子晶片能替代集成電路晶片嗎?

矽光子晶片能替代集成電路晶片嗎？

DeepTech深科技 發表於 2020-11-27 09:56:27

用光子取代傳統集成電路中的電子，這是一個可能產生 「顛覆式的技術創新」 方向，中國比美國晚起步十年。但實際上，技術差距沒有十年那麼久。 中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員甘甫烷告訴 DeepTech，「中國比美國更敢投入，而且人員積累、工藝積累、資金的項目積累都做了很長時間，美國比我們走得早，但我們比美國走的更快」。

甘甫烷從事矽光子研究近 20 年，回國前在「矽光子科研重鎮」麻省理工學院（MIT）獲得博士學位。2019 年在和上海交通大學的校友分享其在 MIT 的學術生涯時，他表示當時枯燥難懂的基礎知識尤其是電磁場的各種方程，在後來卻成了半導體研究的利器。在 MIT 讀博期間他學到最多的是 「創造、熱情、自信」。後來之所以回國，原因之一是被中國的科教興國戰略感召。

如今的他還有另外一個身份 —— 賽勒科技創始人。賽勒科技成立於 2018 年 3 月，是一家矽光晶片設計及產品解決方案提供商，目前也在積極探索如何清除矽光子生產道路上的障礙。 在矽光子業內，一般通過以下指標來衡量產品是否優質：一是速率要足夠高，至少 50-100Gbps 的單波速率才有價值；二是損耗要足夠低，晶片內部要做到一個調製器低於 4 分貝；三是發送端（如調製器）的驅動電壓越低越好，一般要求在 2-3 伏之間，以降低功耗。 與思科、Google、Facebook 這些競爭對手相比，賽勒科技的產品在同樣可以實現單通道 100Gbps 以上速率的同時，還能做到損耗相對較低，達到 3 分貝左右，而他們的競爭對手通常只能做到 4-5 分貝。此外，賽勒還可以實現單片的集成，採用全集成的方案，而不是矽光子和傳統技術的疊加。 賽勒科技的方案是做三維層 —— 一層矽光子，一層 IC，一層光源，以期把矽光子最大的集成優勢發揮出來。在 2016-2017 年，甘甫烷團隊就製成了當時世界上矽光子集成度最高的器件。 如今，他們已經可以實現每個通道 100Gbps、共 4 通道或者 8 通道的 4×100 或 8×100 集成。「賽勒科技的產品目前在國內處於領先地位。」 甘甫烷表示。

目前，賽勒的產品處於快速發展中。在甘甫烷看來，這得益於他們團隊的兩項優勢。首先是隊伍優勢。賽勒年輕的團隊讓他們可以擁有對客戶需求的快速響應，例如晶片出光等領域，客戶提出需求之後，他們可以很快予以解決，夠把原來的東西重新做成一個新的格式，讓客戶接受。其次則是出色的供應鏈管理。 賽勒與代工廠建立了非常緊密的合作關係，與客戶一起開發工藝，使得代工廠的工藝可以快速成熟。這已經超越了一般晶片設計公司的業務範疇，而是通過向代工廠提供很多寶貴的信息，使得後者能夠以最快的速度改進技術，滿足賽勒的需求。從這個意義上講，他們已經從單純的晶片設計，走向了矽光子晶片技術的開發。 縱觀矽光子在全球的發展情況，美國是矽光子最先興起的、也是目前發展最超前的國家，早在 20 年前就開啟了利用 CMOS 工藝技術對矽光子的探索深入研究。

目前，美國的矽光子在 Facebook、Google 等公司已經開始量產，晶片出光方面也已經實現 demo 級別，很快將進入量產階段。 而國內真正開始大規模研究矽光子是在 2010 年左右，之前多為學術上的研究，起步晚導致中國在矽光子的產品化進程上不如美國。但中國對於矽光子技術研發方面人才和資金的大規模投入，使得發展程度上不至於晚於美國 10 年之久。 甘甫烷形容，中國在矽光子領域的積累好比是十年磨一劍。他預計，有了人才、晶片工藝線、資金和市場的驅動，到 2022-2025 年大規模量產的時候，中國矽光子技術應該就很有機會和美國齊頭並進了。 甘甫烷分析稱，在學術研究上，起步晚導致中國在矽光子的產品化進程上不如美國。但中國對於矽光子技術研發方面人才和資金的大規模投入，使得發展程度上不至晚於美國 10 年之久。 中國在矽光子領域的積累好比是十年磨一劍。

矽光子晶片能替代集成電路晶片嗎？

5G、人工智慧、大數據等技術的爆發式發展，得益於晶片技術的持續迭代。反過來，日益增加的數據存儲計算、信息傳輸需求，也對晶片的性能提出越來越高的要求。 然而，傳統晶片性能的進一步提升正在遇到瓶頸。雖然勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊在 2016 年已經將電晶體製程縮減到了 1nm，但繼續發展下去，單位面積晶片上電晶體的數量已經接近物理極限，晶片性能的增加正在受到限制。 對於這一趨勢，各領域科學家以及產業分析師早已有所察覺，「摩爾定律失效在即」 已經成為了不少人的共識。

摩爾定律是英特爾創始人之一戈登・摩爾於 1965 年發現的一個趨勢，即單個晶片上可以容納的電晶體數目大約每經過 18-24 個月便會增加一倍，處理器的性能也將提升一倍。 但經過幾十年的發展，由於單個晶片上電晶體的數目增長已經接近物理極限，除非出現顛覆式的技術創新，否則戈登・摩爾所發現的 「規律」 很有可能無法再延續。 而其中一個可能的 「顛覆式的技術創新」 方向，就是用光子取代傳統集成電路中的電子，來傳輸信號、進行計算。這便是所謂的 「以光代電」，用 「光子晶片」 來替代傳統的集成電路晶片。

不同於集成電路晶片需要將大量微電子元器件（電晶體、電阻、電容等）放在一塊塑基上做成形成的集成電路，矽光子晶片用矽做成晶片，利用矽的強大光路由能力，通過施加電壓產生持續的雷射束驅動矽光子元件，來實現光信息的傳輸、計算等功能。 「以光代電」 有三個明顯的優勢。中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員甘甫烷向 DeepTech 解釋到，「用光子來取代電子，可以實現整體性能的提升。第一，光的帶寬比電子大得多；第二，相比於電，光不容易受到幹擾；第三，光本身可以做部分計算。」 這樣一來，光子晶片便有可能大幅提升晶片的性能，讓摩爾定律得以延續。

據了解，光電混合技術已被應用於光纜傳輸。但 「計算能力上，目前光確實尚不足以完全替代電。」 甘甫烷表示，「作為光子取代電子，更多的是基於光子帶寬大和不易受幹擾這兩點。」 為什麼用矽來做光子器件？

「最早很多人做矽光子，是因為認為光有可能會延續摩爾定律的發展。特別是用矽來做的話，可以跟電的 IC 晶片進行單片集成，甚至替代電實現計算。」 甘甫烷介紹到。 在矽光子之前，用來做光器件的多為三五族材料（如銦、砷）。但三五族材料存在兩大問題，一是材料成本較高，例如砷元素，其實是砒霜的主要元素；二是生產工藝尚不成熟，產能無法與基於矽的集成電路成熟強大的產業鏈相提並論。 而矽，是地球上除了氧之外含量最高的元素，沙石中最常見的元素就是矽，原材料成本非常低；再加上現在成熟的電路都是用矽實現的，經歷過幾十年摩爾定律的洗禮。基於矽材料的集成電路行業十分完善很發達。

因此，用矽來做光的器件，能夠充分利用現有的 CMOS 工藝（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體，集成電路行業常用的設計工藝）以及整個生產鏈，不需要額外高昂的成本，量產的可行性也相對較高。 除成本低這一天然條件外，矽光子在應用中也具有絕對優勢。現階段，最主要的應用是 5G、大數據等高速傳輸。甘甫烷介紹，「矽光子最大的優勢就是集成，原本三五族元素方案只能集成幾個器件，但矽光子可以做成幾萬個。」高度集成化後的晶片在數據、信息的傳輸速率上會有極大的提升。而且，集成之後還可以實現多通道傳輸。對於數據中心、5G 一類長距離通訊，以及晶片內部的短距離傳輸來說，高帶寬和多通道可以帶來明顯的優勢。

而在計算方面，光相比於電延時很短。電的計算要經過二極體、數字等轉換，轉換過程產生的延遲，甚至可達到光的幾百倍。用光子晶片進行矩陣計算，其用時甚至可以比電子晶片小几個量級。 另外，在傳感以及雷射雷達方面，矽光子亦有其廣闊的應用前景。 原理上無礙，工程化未可。

從上世紀六七十年代發展到現在，矽光子的生產在原理上已經沒有障礙，但在實現上依舊存在很大難題。 「設計必須要跟工藝強耦合才能做出高質量產品」，但從開始大規模採用 CMOS 工藝研發矽光子，距今經歷了約 20 年左右，時間並不是很長，在工藝和技術積累上還欠些火候。 甘甫烷表示，只有徹底摸透矽光子技術，打通包括設計、工藝、封裝、產品等完整的產業鏈條，才能真正做好矽光子。而現在能夠摸透矽光子技術的團隊，很少。

另外，矽光子晶片中起關鍵作用的片上雷射器也是一個比較大的難題。以目前的研究，採用矽材料實現雷射器和隔離器還是世界難題，且在工業線上實現矽光子和雷射器、隔離器的混合也是困難重重。 不過，在甘甫烷看來，他所在的賽勒科技最大的價值在於他們解決了矽光子的封裝難題。一個光器件中，光學封裝成本大約要佔到 60% 以上。這是因為，現有的技術普遍使用的是有源對光技術，需要根據觀察結果反饋再進行調整以完成對光，「相當於是一邊對光一邊看，看的不對再調回去 。

而賽勒科技使用的無源對光技術，例如對於光纖和雷射器等元件來說，可以實現它們的自動對光成功。對比傳統方案，無源對光技術能夠應用於產品的大規模自動化生產，有利於矽光子晶片在 5G、數據中心等方面的運用，亦有促進晶片出光 CPU 發展的可能。甘甫烷認為，這是賽勒科技相比於國內外競爭對手最大的價值所在。 -End-

原文標題：20年磨一劍，中國科學家回國創辦矽光子公司！核心團隊曾實現當時全球矽光子集成度最高的專用晶片｜獨家對話

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責任編輯：haq

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