近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和中國電子科技集團(tuán)公司等單位聯(lián)合研發(fā)的光子芯片生產(chǎn)線開始量產(chǎn)，這標(biāo)志著中國在光子芯片領(lǐng)域的研究和發(fā)展取得了重大進(jìn)展。光子芯片是一種基于光子學(xué)原理的新型芯片，具有傳輸速度快、功耗低等優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來芯片技術(shù)的重要方向之一。

光子芯片的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括通信、計(jì)算、傳感等多個領(lǐng)域。在通信領(lǐng)域，光子芯片可以實(shí)現(xiàn)高速、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，可以大大提高通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和穩(wěn)定性。在計(jì)算領(lǐng)域，光子芯片可以實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的計(jì)算，可以大大提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和效率。在傳感領(lǐng)域，光子芯片可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的傳感，可以應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)保、安防等多個領(lǐng)域。

中國首條光子芯片生產(chǎn)線采用了自主研發(fā)的光子芯片制造技術(shù)，可以生產(chǎn)出高質(zhì)量、高性能的光子芯片。這將有助于推動我國在通信、計(jì)算、傳感等領(lǐng)域的科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高我國在全球芯片市場的競爭力。同時，這也為我國在未來數(shù)字化發(fā)展中提供了更加廣闊的發(fā)展空間和機(jī)遇。

光子芯片的研究和發(fā)展一直是全球科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。在過去幾年中，歐美等發(fā)達(dá)國家一直在光子芯片領(lǐng)域進(jìn)行大量的研究和投資，取得了一些重要的進(jìn)展。而中國在光子芯片領(lǐng)域的研究和發(fā)展也一直備受關(guān)注。此次中國首條光子芯片開始量產(chǎn)，標(biāo)志著中國在光子芯片領(lǐng)域的研究和發(fā)展取得了重大進(jìn)展，將有助于推動我國在光子芯片領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高我國在全球芯片市場的競爭力。


算力革命：把電換成光

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)深入各行各業(yè)，對算力的需求也在同步暴增。特別是新一代AI浪潮正在席卷全球，ChatGPT的出現(xiàn)推動科技巨頭們，爭相推出生成式人工智能產(chǎn)品，隨著模型規(guī)模越來越大，訓(xùn)練和推理成本也水漲船高。

在AI革命背后，一場芯片行業(yè)的潛在算力革命也正在醞釀——把電換成光。

隨著摩爾定律接近極限，未來算力提升的空間很有可能在光子計(jì)算芯片技術(shù)上。數(shù)字芯片受限于底層元器件：CMOS晶體管，而光學(xué)信號和光學(xué)器件遵循不同的物理原理。

光學(xué)信號與散射介質(zhì)的互動在大多數(shù)情況下是線性的，因此可以被映射為一種線性計(jì)算。生活中有諸多光學(xué)線性計(jì)算的現(xiàn)象，一個典型的例子是光學(xué)照相機(jī)的鏡頭，鏡頭前的光學(xué)信號在穿過鏡頭時，完成了兩次二維空間光學(xué)傅立葉變換，然后在感光元件上成像，因此，照相機(jī)鏡頭可以被看作一種不可編程的光學(xué)線性計(jì)算單元，但擁有實(shí)用價值的計(jì)算單元必須具備可編程性。

矩陣運(yùn)算正是當(dāng)今AI大模型訓(xùn)練與推理所需要的，可編程的光子矩陣計(jì)算有望在摩爾定律失效后，繼續(xù)支持算力的不斷提升，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代提供強(qiáng)勁的硬件基礎(chǔ)設(shè)施。

相比傳統(tǒng)電子芯片，光子芯片具有大帶寬、高并行、低功耗的天然優(yōu)勢，結(jié)合光子矩陣計(jì)算（oMAC）、片上光網(wǎng)絡(luò)（oNOC）和片間光網(wǎng)絡(luò)（oNET）等技術(shù)，因此光電集成技術(shù)也是未來大容量數(shù)據(jù)傳輸、人工智能加速計(jì)算等領(lǐng)域最具前景的解決方案之一。


國產(chǎn)光芯片市場現(xiàn)狀

得益于光芯片國產(chǎn)化進(jìn)度的持續(xù)推進(jìn)，大量數(shù)據(jù)中心設(shè)備更新和新數(shù)據(jù)中心也會持續(xù)助力光芯片市場規(guī)模的增長，中國將成為全球增速最快的地區(qū)之一。隨著光通信需求的增長，光芯片需求正在快速增長，2021年市場規(guī)模約為107.5億元，同比增長16.3%，2022年市場規(guī)模約為123.4億元，預(yù)計(jì)2023年市場規(guī)模將達(dá)141.7億元。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的發(fā)展，光芯片作為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)及連接的核心器件，需求不斷攀升。隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展所需光芯片數(shù)量成倍增加，且向高速率芯片轉(zhuǎn)移。2021年全球市場規(guī)模達(dá)19.13億美元，同比增長15.87%。2022年市場規(guī)模約為23.06億美元，預(yù)計(jì)2023年中國高速率光芯片市場空間有望達(dá)到30.22億美元。

各類光芯片國產(chǎn)替代率分化明顯，高端光芯片國產(chǎn)替代率仍較低，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)僅在2.5G和10G光芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)核心技術(shù)的掌握。2021年2.5G及以下速率光芯片國產(chǎn)化率超過90%；10G光芯片國產(chǎn)化率約60%，部分性能要求較高、難度較大10G光芯片仍需進(jìn)口；2021年25G光芯片國產(chǎn)化率約20%，但25G以上光芯片的國產(chǎn)化率僅5%，目前仍以海外光芯片廠商為主。

目前，中國光芯片市場仍以國際企業(yè)為主。2021年中國光芯片市場份額排名前三的企業(yè)分別為IIV-VI Incorporated、Lumentum和Broadcom，市場占比分別為22.5%、12.6%和6.2%。

國內(nèi)專業(yè)光芯片廠商包括源杰科技、武漢敏芯、中科光芯、雷光科技、光安倫、云嶺光電等。國內(nèi)綜合光芯片模塊廠商或擁有獨(dú)立光芯片業(yè)務(wù)板塊廠商包括光迅科技、海信寬帶、索爾思、三安光電、仕佳光子等。目前國內(nèi)光芯片企業(yè)正在積極開發(fā)25G光芯片產(chǎn)品，源杰科技、光迅科技、仕佳光子、海信寬帶等企業(yè)都有相關(guān)業(yè)務(wù)布局。


換道超車，避免「卡脖子」

對于我國來說，發(fā)展光子芯片的意義更重。

自從美國大規(guī)模的芯片、技術(shù)封鎖以來，中國的科技企業(yè)就在大力發(fā)展自研芯片，爭取早日掙脫桎梏，但問題在于，傳統(tǒng)電子芯片的大量關(guān)鍵技術(shù)專利、制造工藝、原料均被西方所把控，夾縫中求生存難上加難。

而光子芯片的另一大優(yōu)勢則是制造工藝簡單，并不需要精密的EUV光刻機(jī)等尖端設(shè)備，處于發(fā)展早期也意味著此領(lǐng)域有更多的發(fā)展空間與機(jī)遇。并且從市場角度以及產(chǎn)業(yè)鏈方面，中國都擁有極大的優(yōu)勢。

基于光子芯片強(qiáng)大的計(jì)算能力和傳輸信息能力，光子芯片有望應(yīng)用于生物醫(yī)療檢測、自動駕駛、安防監(jiān)控、語音/圖像識別、光通信、虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)級服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵領(lǐng)域。

尤其在最近較為熱門的人工智能AI領(lǐng)域，光子芯片可以更好地模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)“像人一樣思考”。

不過現(xiàn)階段的光子芯片還缺乏殺手級的應(yīng)用場景和商用環(huán)境，即便量產(chǎn)之后也需要更多發(fā)展的時間。