近幾十年以來，微電子技術與電子芯片產業遵循著摩爾定律不斷發展，隨著傳統制程工藝逼近極限，電子芯片在進一步提升計算速度和降低功耗方面的技術突破，面臨難以解決的瓶頸。在后摩爾時代，光芯片這一顛覆性技術被視為破局的關鍵。


光芯片，難覓用武之地？

實際上，光芯片很早就有，已經很成熟，比如2000年前后的海底光纜，光通訊兩端的收發模塊都是光子芯片，甚至在上課或開會時用的激光筆，里面也有激光器芯片，也是一種光子芯片。

但這些是不可編程的光學線性計算單元，所以無法運用于計算領域。要想通過光來提升算力，具有實用價值的計算單元就必須具備可編程性。

而針對光計算的研究也很早就開始了，始于20世紀60年代，但受到當時應用范圍有限以及電子計算技術快速發展的影響，光計算處理器未能成功邁向商用。

直到最近10年，這種光計算芯片才逐漸取得突破性進展。

尤其是在當前時代，AI應用正推動對算力的需求，光芯片作為重要的潛在顛覆性技術路徑，光計算芯片近年來又重新受到廣泛關注。

光芯片的核心是用波導來代替電芯片的銅導線，來做芯片和板卡上的信號傳輸，其實就是換了一種介質。當光在波導里面傳輸的時候，波導和波導之間出現光信號干涉，用這個物理過程來模擬線性計算這一類的計算過程，即通過光在傳播和相互作用之中的信息變化來進行計算。

與最先進的電子神經網絡架構及數字電子系統相比，光子計算架構在速度、帶寬和能效上優勢突出。因此，光子計算能夠有效突破傳統電子器件的性能瓶頸，滿足高速、低功耗通信和計算的需求。

需要指出的是，光子計算的發展目標不是要取代傳統計算機，而是要輔助已有計算技術在基礎物理研究、非線性規劃、機器學習加速和智能信號處理等應用場景更高效地實現低延遲、大帶寬和低能耗。

硅光計算芯片通過在單個芯片上集成多種光子器件實現了更高的集成度，還能兼容現有半導體制造工藝，降低成本，解決后摩爾時代AI硬件的性能需求，突破馮·諾依曼架構的速度和功耗瓶頸。

綜合來看，光芯片的優勢可以總結為：速度快/低延遲、低能耗、擅長AI矩陣計算等。

速度快/低延遲：光計算芯片最顯著的優勢是速度快、延遲低，在芯片尺寸的厘米尺度上，這個延遲時間是納秒級，且這個延遲與矩陣的尺寸幾乎無關，在尺寸較大的情況下，光子矩陣計算的延遲優勢非常明顯。

低能耗：鏡片折射本身是不需要能量的，是一個被動過程。在實際應用中，由于要對計算系統編程，其中光信號的產生和接收是需要耗能的。在光學器件和其控制電路被較好地優化前提下，基于相對傳統制程的光子計算的能效比，可媲美甚至超越先進制程的數字芯片。

擅長矩陣運算：光波的頻率、波長、偏振態和相位等信息可以代表不同數據，且光路在交叉傳輸時互不干擾，比如兩束手電筒的光束交叉時，會穿過對方光束形成“X”型，并不會互相干擾。這些特性使光子更擅長做矩陣計算，而AI大模型90%的計算任務都是矩陣計算。

因此，光計算芯片在AI時代迎來新的用武之地。


中國科研機構的最新突破

近年來,中國科研人員在光芯片研發領域不斷取得新的重大突破,讓我國的光芯片技術居于國際前列,為產業化發展奠定了堅實基礎。

2021年5月,中國科學技術大學光電國家實驗室成功研制出22納米硅基光電子集成芯片。該芯片集成度之高達56個激光器和240個調制器,在國際上首次實現如此規模的光電集成。硅基光電子集成電路因其與硅電子集成電路制程相容而具有制備工藝簡單和成本低廉的優點,是光電子集成電路發展的主流路徑。該芯片的問世,標志著我國在光電子集成電路的研發水平已達到國際領先,打破了國外長期壟斷的局面。

2022年8月,中國科學院長春光學精密機械與物理研究所則研制出了國內首款高性能矽基光電集成芯片。該芯片在集成度和功能上都達到國際同類產品的最高水平,不僅實現了高性能光電集成電路關鍵器件的單片集成,還首次在光芯片上集成實現了可編程的量子邏輯門電路和支持多粒子量子態編碼的新型光子集成源,為實現可擴展的光量子計算機提供了堅實基礎。這些突破令人振奮,意味著我國量子計算的發展不再完全依賴國外技術。

2月,華中科技大學科研團隊在量子操控領域也取得突破。他們成功實現高效率級聯受控相位旋轉門,實現了基于疊加量子態操作的新型算法模型,是光量子計算機算力大幅提升的基石性突破。該成果有望將量子計算機的算力拓展10個量級之多,為打造真正實用的通用量子計算機邁出關鍵一步。可以說,這是對量子計算理論和技術實現方向影響深遠的基礎研究成果。

由此可見,近幾年間中國科學家在光芯片研發上連續取得重大突破,集成度、性能和功能性方面均達到了世界一流水準,令人對我國光芯片產業的發展充滿信心。


光子芯片未來算力突破口的鑰匙

隨著人工智能(AI)時代的到來,算力需求正以前所未有的速度增長。傳統的電子芯片面臨著性能瓶頸,無法滿足AI系統對極高運算能力的需求。而光子芯片(PhotonicChip)憑借其光速傳輸和低功耗等獨特優勢,被視為突破算力瓶頸的關鍵技術之一,成為全球科技競爭的新熱點。

人工智能技術的飛速發展離不開算力的大幅提升。以ChatGPT為例,這款大型語言模型需要數萬億次參數相乘累加的運算,才能實現其對話、創作、編程等驚人能力。而這只是冰山一角,未來的人工智能系統將需要更高的算力支撐。可以預見,在AI時代,算力將會如同工業時代的電力一般,成為決定生產力水平和技術進步速度的核心驅動力。

然而,傳統的電子芯片正面臨嚴峻的物理極限挑戰。國際半導體技術路線圖(ITRS)顯示,集成電路已接近理論極限,未來難以再有大幅度的時鐘頻率和功率提升。換句話說,電子芯片將無法滿足AI系統對極高算力的無窮饑渴。這已成為制約AI發展的重要瓶頸之一。

正當科技界為算力瓶頸而發愁之際,光子芯片(PhotonicChip)這一突破性技術應運而生,為算力問題帶來了全新的解決方案。與傳統電子芯片依賴電子流動不同,光子芯片利用光子(光的量子)來傳輸和處理信息。由于光子具有質量為零、傳播速度極快等獨特性質,光子芯片在多個關鍵指標上都展現出了無與倫比的優勢。

綜合這些優勢,業內普遍預計,采用光子芯片可將算力提升1000倍乃至更高。對于AI等"算力饑渴"的應用領域來說,光子芯片無疑將成為突破瓶頸的金鑰匙。