頂級公司選擇光學(xué) I/O 來推動計算超越百億億次級并進入澤級。該技術(shù)在 AMD 首席執(zhí)行官蘇麗莎最近的一次演講中被選為從功率和性能角度實現(xiàn) zettascale 計算的關(guān)鍵技術(shù)。“光通信是一個關(guān)鍵領(lǐng)域，我們認為它對我們達到類似 zettascale 類型的計算能力非常非常重要，”Lisa Su 說。

光通信已經(jīng)使用了幾十年，主要用于電信，以加快長距離傳輸。到目前為止，硬件需要可插拔模塊來傳輸和接收信號，因為數(shù)據(jù)要從一個點長距離傳輸?shù)搅硪粋€點。但是芯片制造商現(xiàn)在正在使光學(xué) I/O 更接近芯片層，以便在超級計算機和數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中進行短距離通信。例如，光學(xué)器件可用于近距離連接 GPU。

Lisa Su也表示，AMD 正在與 DARPA 合作將光學(xué)解決方案封裝到芯片中。

使用以太網(wǎng)和 InfiniBand 等技術(shù)的英特爾也將硅光子學(xué)視為其 zettascale 計劃的組成部分。英特爾在其未來基于小芯片的芯片設(shè)計中采用光學(xué)封裝來解決帶寬和能效問題，其中計算核心可以像模塊一樣拼接在一起。

英特爾當前的名為 Ponte Vecchio 的超級計算 GPU 擁有一項名為 XE Link 的技術(shù)，這是一種提供 GPU 之間通信鏈接的tiles。“其中一些可以升級到光學(xué) I/O，”英特爾公司副總裁兼加速計算系統(tǒng)和圖形事業(yè)部臨時總經(jīng)理 Jeff McVeigh 在去年的新聞發(fā)布會上說。

Broadcom 也在追逐小芯片上的光學(xué)互連。該公司是最近進入光學(xué) I/O 領(lǐng)域的公司，本月早些時候宣布了一種集成度更高的光學(xué) I/O，其通信速度可達每秒 51.2 太比特。

光芯片迎來發(fā)展機遇

半個世紀以來，微電子技術(shù)大致遵循著“摩爾定律”快速發(fā)展，隨著信息技術(shù)的不斷拓寬和深入，芯片的工藝制程已減小到?5nm?以下，但由此帶來的串擾、發(fā)熱和高功耗問題愈發(fā)成為微電子技術(shù)難以解決的瓶頸。

同時，在現(xiàn)有馮諾依曼計算系統(tǒng)采用存儲和運算分離的架構(gòu)下，存在“存儲墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴重制約系統(tǒng)算力和能效的提升。此外，處理器與內(nèi)存之間、處理器與處理器之間信息交互的速度嚴重滯后于處理器計算速度，訪存與I/O瓶頸導(dǎo)致處理器計算性能有時只能發(fā)揮出10%，這對計算發(fā)展形成了極大制約。

電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，繼續(xù)在電子計算技術(shù)范式上尋求突破口步履維艱。在面向“后摩爾時代”的潛在顛覆性技術(shù)里，光芯片已進入人們的視野。

光芯片，一般是由化合物半導(dǎo)體材料（InP和GaAs等）所制造，通過內(nèi)部能級躍遷過程伴隨的光子的產(chǎn)生和吸收，進而實現(xiàn)光電信號的相互轉(zhuǎn)換。

微電子芯片采用電流信號來作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光芯片展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲、以及更強的抗電磁干擾能力。

此外，光互聯(lián)還可以通過使用多種復(fù)用方式（例如波分復(fù)用WDM、模分互用MDM等）來提高傳輸媒質(zhì)內(nèi)的通信容量。因此，建立在集成光路基礎(chǔ)上的片上光互聯(lián)被認為是一種極具潛力的技術(shù)，能夠有效突破傳統(tǒng)集成電路物理極限上的瓶頸。

回顧光芯片發(fā)展歷程，早在1969年美國的貝爾實驗室就已經(jīng)提出了集成光學(xué)的概念。但因技術(shù)和商用化方面的原因，直到21世紀初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(gòu)才開始重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。

近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，包括硅、氮化硅、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用于研發(fā)單片集成或混合集成的光子芯片。

在過去數(shù)年里，光子集成技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了許多進展和突破。

據(jù)了解，目前純光子器件已能作為獨立的功能模塊使用，但是，由于光子本身難以靈活控制光路開關(guān)，也不能作為類似微電子器件的存儲單元，純光子器件自身難以實現(xiàn)完整的信息處理功能，依然需借助電子器件實現(xiàn)。因此，完美意義上的純“光子芯片”仍處于概念階段，尚未形成可實用的系統(tǒng)。嚴格意義上講，當前的“光子芯片”應(yīng)該是指集成了光子器件或光子功能單元的光電融合芯片，仍存在無法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調(diào)制器等問題。

光子集成電路雖然目前仍處于初級發(fā)展階段，不過其成為光器件的主流發(fā)展趨勢已成必然。光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運用電子芯片先進的制造工藝及模塊化技術(shù)，結(jié)合光子和電子優(yōu)勢的硅光技術(shù)將是未來的主流形態(tài)

高速數(shù)據(jù)處理和傳輸構(gòu)成了現(xiàn)代計算系統(tǒng)的兩大支柱，而光芯片將信息和傳輸和計算提供一個重要的連接平臺，可以大幅降低信息連接所需的成本、復(fù)雜性和功率損耗。隨著光芯片技術(shù)的發(fā)展迭代，大型云計算廠商和一些企業(yè)客戶的需求都在從100G過渡到400G，400GbE的數(shù)據(jù)通信模塊出貨量翻了一倍，在2021年達到創(chuàng)紀錄的水平。

由此可見，光器件行業(yè)整個產(chǎn)業(yè)鏈都在持續(xù)向滿足更高速率、更低功耗、更低成本等方向演進升級，800G及更高速率產(chǎn)品也逐漸開始使用，不同細分領(lǐng)域都面臨新技術(shù)的迭代和升級。

迄今為止，硅光子商業(yè)化較為成熟的領(lǐng)域主要在于數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等光連接領(lǐng)域，800G及以后硅光模塊性價比較為突出。此外，Yole認為未來幾年內(nèi)增長最快的將是汽車激光雷達、消費者健康和光子計算領(lǐng)域的應(yīng)用。

光芯片產(chǎn)業(yè)多路徑發(fā)展部署加快

光芯片產(chǎn)業(yè)分布相對集中，發(fā)達國家正積極部署并致力于打造區(qū)域特色。光芯片產(chǎn)業(yè)主要分布在北美、歐洲、東亞、南亞四大地區(qū)。美國產(chǎn)業(yè)實力整體較為強勁，擁有Intel、IBM、Infinera等世界領(lǐng)先的光芯片企業(yè)，并通過成立光子集成研究院AIM Photonics等方式引導(dǎo)各方資源投入光芯片產(chǎn)業(yè)。歐洲高度重視光芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成了科研院所與企業(yè)聯(lián)合代工等產(chǎn)業(yè)模式，積極構(gòu)建標準化光芯片代工生態(tài)鏈，并通過“地平線計劃”等項目推動光芯片技術(shù)發(fā)展。其他國家也充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，積極打造區(qū)域特色的光芯片產(chǎn)業(yè)。

光芯片產(chǎn)業(yè)快速建設(shè)，部分領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)布局已成熟完整。在全球芯片短缺的大環(huán)境下，相關(guān)科研院所和產(chǎn)業(yè)機構(gòu)均投入大量的人力、物力和財力發(fā)展光子集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系，推動光芯片產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。當前，光芯片在移動通信、激光加工等傳統(tǒng)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局已相對完整，但在消費健康、3D傳感、高性能計算等新興領(lǐng)域仍處于產(chǎn)業(yè)化初期或前夕階段，全生態(tài)體系構(gòu)建仍然面臨諸多問題。

光芯片產(chǎn)業(yè)路線多樣，標準化難度較大。光芯片產(chǎn)業(yè)鏈需要應(yīng)用需求、開發(fā)設(shè)計、加工制造、封裝測試等多個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)之間的相互配合。受材料體系多樣、器件類型豐富、光電領(lǐng)域差異等因素影響，不同企業(yè)制造的相同功能產(chǎn)品，采用的技術(shù)方案存在較大差異，形成了多樣性的產(chǎn)業(yè)路線，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)也相應(yīng)地向不同的產(chǎn)業(yè)路線靠攏并逐漸細化。多樣化的路線導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈標準化難度加大，催生了面向個性化定制化的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。


芯片企業(yè)：謹慎中前進

目前全球芯片技術(shù)已經(jīng)進入了3nm時代，由臺積電和三星兩家廠商生產(chǎn)，疊加制造設(shè)備受限等等問題，我國很難在傳統(tǒng)制造工藝和思路上進行突破。

但上文光子芯片有望量產(chǎn)的消息，則帶來了新的希望。

這意味著光子芯片逐漸突破既往研究桎梏，來到一個新的十字路口。如果能夠在后期實現(xiàn)成功量產(chǎn)，中國芯也許有望打破被卡脖子的局面。

無論是理論還是實踐，光子芯片的新成就，也是政策扶持導(dǎo)向的結(jié)果。

去年10月，上海印發(fā)《上海打造未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地發(fā)展壯大未來產(chǎn)業(yè)集群行動方案》，提到積極培育量子科技產(chǎn)業(yè)，其中就涉及光子芯片。

今年1月，浦東新區(qū)人民政府印發(fā)《張江科學(xué)城擴區(qū)提質(zhì)三年行動方案（2022-2024年）》，其中一個任務(wù)焦點就是聚焦張江過往硬核科技特色，強調(diào)在在上一輪光子科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施陸續(xù)投入運營的基礎(chǔ)上，升級一批重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，保持在光子科學(xué)上的領(lǐng)先地位。

當然，政策利好是好事，資本的活躍也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要源頭活水。

今年1月，國內(nèi)光量子芯片企業(yè)「圖靈量子」宣布完成數(shù)億元人民幣A輪融資，由簡稱中網(wǎng)投領(lǐng)投，華控基金、東證創(chuàng)新、聯(lián)想創(chuàng)投等跟投。本輪融資將主要用于芯片量產(chǎn)能力打造、全棧產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)、以及面向行業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化推進。

去年年底，國內(nèi)光芯片企業(yè)——源杰科技登陸科創(chuàng)板，IPO發(fā)行價為100.66元/股。

專注于硬科技創(chuàng)業(yè)投資與孵化的中科創(chuàng)星，光子芯片是其關(guān)注的重點。援引《經(jīng)濟日報》消息，到去年9月，中科創(chuàng)星已投資孵化370家硬科技企業(yè)，其中150多家為光子和半導(dǎo)體芯片公司。

當然，資本的故事講得好，不意味著公司的業(yè)務(wù)在短期有盈利可能性，投資者仍需要謹慎調(diào)查。但資本進來，對于行業(yè)初期的發(fā)展來說，益處不少。

國外的情況也不必多說，在臺積電積極在美布局生產(chǎn)線的形勢下，半導(dǎo)體領(lǐng)域自然是美國資本市場的寵兒。

去年11月，巴菲特旗下伯克希爾?哈撒韋公司 (Berkshire Hathaway) 宣布以超過41億美元（約合人民幣288.82億元）的價格“抄底”晶圓代工龍頭臺積電股份。

不過，與這一豪舉相比，國內(nèi)企業(yè)在逆全球化趨勢下，拿到的國際資本有可能收緊。

根據(jù)彭博消息，分析師對2023年芯片行業(yè)的利潤預(yù)期，比今年下降20個百分點以上，降幅遠大于其他科技行業(yè)。

我國光芯片未來發(fā)展展望

現(xiàn)階段，我國光芯片市場規(guī)模龐大。一方面，5G、千兆光網(wǎng)等新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的高速建設(shè)提高了對光芯片的應(yīng)用需求；另一方面，人工智能、數(shù)據(jù)中心等熱點領(lǐng)域也為光芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了巨大的發(fā)展空間。與電芯片相比，我國部分光芯片研究處于全球第一研發(fā)梯隊，相關(guān)成果可達世界領(lǐng)先水平。例如，曦智科技公司發(fā)布的PACE光計算引擎，運行經(jīng)典人工智能模型的運算速率可達目前高端GPU的780倍；光子算數(shù)公司推出的光電混合計算加速卡，打破了國外的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)光芯片加工的全流程國產(chǎn)化，目前已初步應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。光芯片有望成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“換道超車”的重要機遇。

但不可否認的是，相較于部分發(fā)達國家，我國光芯片技術(shù)產(chǎn)業(yè)的整體生態(tài)建設(shè)仍不完善，在基礎(chǔ)材料、配套軟件、加工制造等方面存在明顯短板，部分產(chǎn)品上中游產(chǎn)業(yè)嚴重依賴海外。我國需要加大對光芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的支持力度，打牢發(fā)展基礎(chǔ)，補齊產(chǎn)業(yè)短板，集技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、政策、投資之合力助推光芯片領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。