編者按：
當(dāng)下科技競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，最受關(guān)注的芯片技術(shù)更是日新月異。早在上世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開(kāi)始為傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個(gè)追逐的目標(biāo)。那么，硅光芯片能否突破摩爾定律，開(kāi)辟新的“賽道”？
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導(dǎo)語(yǔ)
電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，難以滿(mǎn)足高性能計(jì)算不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)吞吐需求。硅光芯片用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，可承載更多信息和傳輸更遠(yuǎn)距離，具備高計(jì)算密度與低能耗的優(yōu)勢(shì)。隨著云計(jì)算與人工智能大爆發(fā)，硅光芯片迎來(lái)技術(shù)快速迭代與產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展。
各國(guó)都已在該領(lǐng)域布局很久。2014年10月，奧巴馬就宣布建立“國(guó)家光子集成制造創(chuàng)新研究所”，IBM、Intel等企業(yè)和MIT、UCSB等機(jī)構(gòu)都不遺余力發(fā)展大規(guī)模光子集成芯片，集成850個(gè)器件的大規(guī)模光子芯片也在2015年出現(xiàn)。幾乎同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院也啟動(dòng)了由西安光學(xué)精密機(jī)械所牽頭，半導(dǎo)體所、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)所、計(jì)算技術(shù)所共同承擔(dān)的先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“大規(guī)模光子集成芯片”，希望構(gòu)建起大規(guī)模光子集成的材料、器件、集成、封裝工藝平臺(tái)。
集成850個(gè)器件的光子芯片結(jié)構(gòu)圖
預(yù)計(jì)未來(lái)三年，硅光芯片將承載絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的高速信息傳輸。
光子芯片演變發(fā)展
20世紀(jì)60年代以來(lái)，人類(lèi)在電子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了無(wú)與倫比的成就。但經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)也遇到了速率和功耗兩大瓶頸，進(jìn)而衍生出阻礙電子計(jì)算機(jī)性能提升的3個(gè)技術(shù)壁壘：功耗墻、訪存墻與I/O墻。
制約高性能計(jì)算發(fā)展的最大技術(shù)障礙是能耗，E級(jí)系統(tǒng)功耗預(yù)計(jì)有466.7MW，全年40.88億千瓦時(shí)的用電量幾乎相當(dāng)于三峽電站全年發(fā)電量的1/20。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(yán)重滯后于處理器計(jì)算速度，訪存與I/O瓶頸導(dǎo)致處理器計(jì)算性能有時(shí)只能發(fā)揮出10%，這對(duì)計(jì)算發(fā)展形成了極大制約。受電子物理極限制約，傳統(tǒng)制程工藝的進(jìn)步不但無(wú)助于問(wèn)題的解決，甚至?xí)夯陨蠁?wèn)題。
光子芯片不同于電子芯片，技術(shù)上另辟蹊徑，用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，可以承載更多的信息和傳輸更遠(yuǎn)的距離。光子彼此間的干擾少、提供相較于電子芯片高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的計(jì)算密度與低兩個(gè)數(shù)量級(jí)的能耗。相較于量子芯片，光子芯片不需要改變二進(jìn)制的架構(gòu)，能夠延續(xù)當(dāng)前的計(jì)算機(jī)體系。光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運(yùn)用電子芯片先進(jìn)的制造工藝及模塊化技術(shù)，結(jié)合光子和電子優(yōu)勢(shì)的硅光技術(shù)將是未來(lái)的主流形態(tài)。
硅光芯片應(yīng)用趨勢(shì)
近期，云計(jì)算與人工智能的大爆發(fā)讓光子傳輸?shù)膬?yōu)越性得以凸顯。在通信場(chǎng)景，由于大型分布式計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、云原生應(yīng)用讓數(shù)據(jù)中心內(nèi)的數(shù)據(jù)通信密度大幅提升，數(shù)據(jù)移動(dòng)成為性能瓶頸。傳統(tǒng)光模塊成本過(guò)高，難以大規(guī)模應(yīng)用，硅光芯片能夠在低成本的前提下有效提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)集群之間、服務(wù)器之間、乃至于芯片之間的通信效率。在計(jì)算場(chǎng)景，據(jù)OpenAI統(tǒng)計(jì)，自2012年，每3.4個(gè)月人工智能的算力需求就翻倍，摩爾定律帶來(lái)的算力增長(zhǎng)已無(wú)法完全滿(mǎn)足需求，硅光芯片作為解決方案的價(jià)值得到廣泛的期待。
尤其需要注意的是，光通信與光計(jì)算相輔相成，光通信中的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)會(huì)在光計(jì)算中得到應(yīng)用，光計(jì)算要求的低損耗、高密度光子集成技術(shù)也會(huì)促進(jìn)光通信發(fā)展。兩者的結(jié)合最終會(huì)讓數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸都在光域完成。
“大規(guī)模光子集成芯片”先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施路線圖
展望
盡管光子元器件、硅光制程技術(shù)都在近期取得突破，硅光技術(shù)的成熟還需要解決一系列問(wèn)題。首先，硅光芯片的設(shè)計(jì)、封裝等環(huán)節(jié)尚未標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；?，其產(chǎn)能、成本、良率優(yōu)勢(shì)還未顯現(xiàn)；其次，光計(jì)算的精度仍低于電子芯片，集成度也需要進(jìn)一步提高。
光電融合是未來(lái)趨勢(shì)，硅光子和硅電子芯片取長(zhǎng)補(bǔ)短才能促進(jìn)算力提升。未來(lái)三年，硅光芯片將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸；未來(lái)五到十年，以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計(jì)算將逐步取代電子芯片在部分計(jì)算場(chǎng)景中的角色。
來(lái)源：達(dá)摩院DAMO
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