光子產(chǎn)業(yè)進(jìn)入爆發(fā)前期
光芯片在提升計(jì)算機(jī)運(yùn)算速率上具有巨大的潛力,，未來(lái)光子芯片替代微電子芯片將是大勢(shì)所趨,。
［光進(jìn)電退］演進(jìn)至芯片內(nèi)部,，光芯片與微電子芯片比較,，在算力,、能耗,、成本、尺寸方面優(yōu)勢(shì)明顯,。
從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看,，下游及終端客戶(hù)對(duì)上游光子器件的要求更加精密、輕薄,，加工工藝更加高效,、精準(zhǔn),、復(fù)雜。
隨著下游智能手機(jī)攝像,、識(shí)別模組的升級(jí),、自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟、安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)的智能化到無(wú)人機(jī)的普及等,，直接帶動(dòng)光子器件的市場(chǎng)需求,。
同時(shí)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)從4G到5G的發(fā)展,，生物識(shí)別技術(shù)在消費(fèi)電子中的應(yīng)用,、芯片材料的改良改進(jìn)等外部技術(shù)的進(jìn)步，光子產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)了良好的發(fā)展機(jī)遇,。
市場(chǎng)研究公司Marketsand Markets預(yù)計(jì),，到2023年，全球光子學(xué)市場(chǎng)的規(guī)模將從2017年的5200億美元增長(zhǎng)到2023年的7804億美元,，復(fù)合年增長(zhǎng)率為7．0％,。
市場(chǎng)需求增長(zhǎng)主要是受到信息通信技術(shù)、醫(yī)療技術(shù),、生命科學(xué),、自動(dòng)化視覺(jué)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)。
有望帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入［從電到光］
光子芯片技術(shù)有望帶動(dòng)整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入［從電到光］的轉(zhuǎn)變,，并在未來(lái)光存儲(chǔ)、光顯示,、光互聯(lián),、光計(jì)算，以及醫(yī)療衛(wèi)生和航天,、國(guó)防等領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮重要作用,。
目前，全球部分國(guó)家正在加緊進(jìn)行科研和產(chǎn)業(yè)布局,，可以預(yù)見(jiàn)是,，未來(lái)誰(shuí)能率先在光子技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，誰(shuí)就能搶占信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的制高點(diǎn),。
2018年1月,，國(guó)家工信部發(fā)布了中國(guó)光電子器件發(fā)展五年路線(xiàn)圖（2018－2022），其中明確提及了中國(guó)光通信器件產(chǎn)業(yè)目標(biāo)：
2022年中低端光電子芯片國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)60％,，高端光電子芯片的國(guó)產(chǎn)化率突破20％,；
2022年國(guó)內(nèi)企業(yè)占據(jù)全球光通信器件市場(chǎng)份額的30％以上，有1家企業(yè)進(jìn)入全球前3名,。
光子能夠?qū)ΜF(xiàn)有的電子芯片性能進(jìn)行大幅度提升,，解決電子芯片解決不了的功耗,、訪(fǎng)存能力和計(jì)算機(jī)整體性能等難題。
更為重要的是,，過(guò)去電子芯片主要應(yīng)用于計(jì)算和存儲(chǔ)領(lǐng)域,，而光子芯片可以在信息獲取、信息傳輸,、信息處理,、信息存儲(chǔ)及信息顯示等領(lǐng)域催生眾多新的應(yīng)用場(chǎng)景。
由于其與CMOS工藝兼容的特點(diǎn),，以及量子計(jì)算的推進(jìn),，谷歌、微軟等科技巨頭,，還有IBM,、英特爾等傳統(tǒng)芯片龍頭，都投入了大量的資金研究,。
國(guó)內(nèi)已取得重要的研究進(jìn)展
有國(guó)內(nèi)的光量子計(jì)算公司,，已掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維和超高速光子芯片核心技術(shù)與工藝，從設(shè)計(jì),、流片到封裝測(cè)試,，再到系統(tǒng)集成和量子算法，實(shí)現(xiàn)了光量子計(jì)算芯片的全鏈條研發(fā),。
2020年4月29日,，在山西大學(xué)光電研究所某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，教授正在調(diào)試光電檢測(cè)設(shè)備如今的光芯片,，最難的仍然是高精度的微納加工技術(shù),。
2021年7月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué),，通過(guò)研制硅基光子集成芯片和優(yōu)化實(shí)時(shí)后處理,，發(fā)明了速率達(dá)18．8Gbps、迄今最快的實(shí)時(shí)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器,。
日前國(guó)內(nèi)一家公司曦智科技發(fā)布了新一代光子計(jì)算處理器PACE,，1GHz頻率下某些運(yùn)算的性能就是GPU的數(shù)百倍了。
芯片替代電子芯片的可能性
當(dāng)制程降至7納米以下時(shí),，極易出現(xiàn)電涌和電子擊穿問(wèn)題,，也就是已經(jīng)很難完美地控制電子了。
業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會(huì)達(dá)到物理極限,，亟需尋找創(chuàng)新發(fā)展的出路,。
電子芯片尺寸降到極致時(shí)會(huì)出現(xiàn)功耗墻難題，巨大的耗能壓力就是計(jì)算機(jī)發(fā)展的最大技術(shù)障礙之一,。
由于CMOS半導(dǎo)體功耗密度已接近極限,，所以必須尋找新途徑,、新結(jié)構(gòu)、新材料,。
過(guò)去幾十年中處理器的性能以每年約55％的速度提升,，而內(nèi)存性能的提升速度約為每年10％，簡(jiǎn)單來(lái)講就是大量信息存儲(chǔ)不過(guò)來(lái),、計(jì)算不過(guò)來(lái),。
電子芯片性能提升的同時(shí)，性?xún)r(jià)比在降低,。業(yè)界普遍認(rèn)為,，28納米是芯片性?xún)r(jià)比最高的尺寸。
更復(fù)雜的GAA結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本只會(huì)更高,，這僅是芯片設(shè)計(jì),、制造、封裝,、測(cè)試中的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),。
光子芯片與電子芯片最大區(qū)別之處就是它的信號(hào)不同光子芯片，它的信號(hào)是光信號(hào),。
可以說(shuō),，信息時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施是電子芯片，人工智能時(shí)代將更多地依托光子芯片,，光子芯片是未來(lái)新一代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施和核心支撐,。
光子芯片未客服的難點(diǎn)
目前還未形成有效的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)流程不固定,，輔助設(shè)計(jì)工具不完善,。
光子芯片制造并不容易—它內(nèi)部的器件都是三維結(jié)構(gòu)，集成要考慮的因素就變多了,，同時(shí)還引入了光學(xué)相關(guān)因素,，會(huì)出現(xiàn)一些不規(guī)則的結(jié)構(gòu),。
加工的材料也不單純是硅,，還有化合物，這讓制造的復(fù)雜性進(jìn)一步提升,。
硅光芯片和InP類(lèi)的光芯片,，都涉及光的耦合，物理模型不好建立,，同時(shí)制作成本也比傳統(tǒng)芯片高,。
結(jié)尾：
對(duì)我國(guó)而言，既要在傳統(tǒng)賽道電子芯片領(lǐng)域盡快補(bǔ)短板,，也要盡早在光子芯片等新賽道布局發(fā)力,。
雙管齊下,，抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機(jī)遇，努力爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)［非對(duì)稱(chēng)趕超］,。
部分資料參考：Engineering：《效率更高,、能耗更低的光子芯片，會(huì)是下一代處理器嗎,？》,，《光子芯片有望成為下一代芯片技術(shù)發(fā)展方向》，上觀新聞：《上理工光子芯片成果“點(diǎn)亮”全球首塊納米三維立體屏》,，財(cái)先說(shuō)：《國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體多點(diǎn)開(kāi)花,，光子芯片取得突破，能否實(shí)現(xiàn)換道超車(chē),？》
