光子芯片需要光刻機嗎

大家都知道，現(xiàn)在的電子芯片的發(fā)展已經(jīng)逐漸的逼近一個極限：摩爾定律。雖然現(xiàn)在認為集成電路的技術發(fā)展還有一定的空間，但是最終還是有一個走到盡頭的時間，而且毫不夸張的說，這個時間也就是未來十來年的事情。那我們應該怎么發(fā)展呢？

換一種方式，而光子芯片就是一個很不錯的方向，光子芯片就是使用光子來進行運算的一種芯片，和傳統(tǒng)的半導體芯片相比較，光子芯片具有非常誘人的商業(yè)發(fā)展前景，比如說，光子芯片的運算效率要比半導體電子芯片高很多，對比傳統(tǒng)電子人工智能芯片差距達到千倍級別，同時信息傳輸量更高，而更為值得關注的一點則是，光子芯片的能耗非常低，是傳統(tǒng)芯片的百分之一甚至更低，而半導體芯片的一大問題就是耗能高，就是因為這些個原因，也讓有些人覺得，有了光子芯片，半導體芯片就沒有必要了！

再說一個非常關鍵的問題，大家都知道制造高端半導體芯片需要一個非常關鍵的設備：光刻機！而在高端的高制程芯片光刻機的研制方面，我們一直都未能獲得很好的突破，而且在進口方面，一面面臨很大的禁令風險。

但是光子芯片的研制就沒有那么費事了，就以現(xiàn)在我們國家的科研團隊所最新研制出來的光子人工智能芯片來說吧，不但芯片的的設計是我們自己的，而且芯片的加工、封裝以及測試也全部是我們自己搞定的，其中就用到了我們自己的國內(nèi)130nm微電子工藝?？刹灰】戳诉@一點，這可是直接擺脫了我們對國外高制程光刻機的依賴。

當然了，如果這個時候就直接說光子芯片可以取代電子芯片還是有點為時過早的，畢竟，光子芯片的發(fā)展還處于早期，所具備的技術優(yōu)勢還未能呈現(xiàn)出來的，現(xiàn)在還是一個苗頭，而現(xiàn)在光子芯片的發(fā)展給我們追趕甚至是超越西方的機會，需要我們做的就是抓住這個機會，而這也是換道超車的機會吧！

光子芯片發(fā)展趨勢

光子產(chǎn)業(yè)（Photonics Industry）是推動21 世紀經(jīng)濟發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。光子學是關于光的科學和技術，特別是光的產(chǎn)生、指引、操縱、增強和探測。從通信到衛(wèi)生保健，從生產(chǎn)材料加工到照明設備和太陽能光伏，到日常使用的DVD播放器和手機，光子技術已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面。谷歌、通用汽車等信息通訊技術、制造業(yè)企業(yè)，對光學與光子技術十分依賴。

目前，光子芯片技術已經(jīng)由硅光子集成技術向納米光子學范疇邁進。在材料方面，石墨烯等先進材料的研究也有望將光子芯片技術的應用推向新的高度。隨著光子技術的不斷發(fā)展，光子技術將幫助突破計算機電子技術的局限；通過大幅增加數(shù)據(jù)容量和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，它將推動通信行業(yè)進入太比特時代，同時降低碳足跡和單位成本。

業(yè)界普遍認為，光子學具有類似于電子學的發(fā)展模式，都是由光子器件向光子集成，光子系統(tǒng)方向發(fā)展。

大規(guī)模集成電路已經(jīng)走了近五十年的歷程。其主流技術CMOS的集成度每18個月翻一番（摩爾定律）。集成度的提高使芯片的功能成百上千倍的增強?，F(xiàn)代科技可以說是以此為基礎的。而集成光路技術的發(fā)展會帶來同樣的效應。集成后的光器件除了功能上的益處外，其在總體成本上的益處比起集成電路來更勝一籌。由于單立光器件的封裝成本要占到器件成本的2/3，集成可以大規(guī)模降低單立光器件的數(shù)量，從而降低總體的成本。同時，封裝界面的減少也會是集成器件的性能成倍的提高。

目前比較經(jīng)濟的發(fā)展思路是將集成光子工業(yè)基于微電子工業(yè)之上，使用硅晶作為集成光學的制造平臺。這將使全球歷時五十年、投入數(shù)千億美元打造的微電子芯片制造基礎設施可以順理成章地進入集成光器件市場，將成熟、發(fā)達的半導體集成電路工藝應用到集成光器件上來，一下子將集成光學工業(yè)的水平提高。這正是目前發(fā)展良好的硅光子技術的發(fā)展思路。

Computercom DrivingDevelopment and Large-Scale Deployment of Parallel Optical Transceivers

雖然硅光子還面臨很多技術瓶頸，但在整個產(chǎn)業(yè)界的向心力下，正在被一個一個的克服，產(chǎn)業(yè)界對硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心。尤其是數(shù)據(jù)中心的短距離應用，讓硅光子找到了最合適的用武之地。數(shù)據(jù)中心的巨大潛力，以及英特爾等廠商的大力推動，促使硅光子的研發(fā)進程進一步加速。目前，硅光子技術已經(jīng)進入集成應用階段。

根據(jù)Yole Développement在2014年針對硅光子產(chǎn)業(yè)的報告，硅光子的產(chǎn)業(yè)鏈與電子集成電路的產(chǎn)業(yè)鏈相似，上游主要包括晶圓、制造設備和原材料供應商，中游則是負責設計、制造和封裝的芯片公司，下游則主要分為光互連公司、服務器公司和谷歌、亞馬遜、微軟等最終用戶公司。Yole Développement認為，最終用戶公司是硅光子技術在數(shù)據(jù)中心方面研發(fā)的主要驅(qū)動力。

硅光子技術的應用挑戰(zhàn)主要來自技術方面。激光光源的集成便是一個主要技術挑戰(zhàn)，對此，銻化銦芯片上的激光芯片后端處理或?qū)⑹且粋€值得關注的方法。功耗問題也很重要。目前的功耗水平大約在10pJ/bit，2025年的目標是要將功耗降低到200fJ/ bit以下。此外，產(chǎn)業(yè)界也需要從并行光纖發(fā)展至波分復用技術（wavelength division multiplexing，WDM），大多數(shù)廠商都在其產(chǎn)品路線圖中規(guī)劃了波分復用技術。

封裝也是目前的主要技術障礙，約占最終收發(fā)器產(chǎn)品成本的80~90%，主要由于光學校準要求非常嚴格，并且增加了組裝所需要的時間。現(xiàn)在，MEMS技術或能幫助解決這些問題，Kaiam公司和Luxtera公司在這方面做了很多開拓性的工作，并建立了一些方案來提供低成本光子組裝試驗產(chǎn)線，尤其是在歐洲。這些技術挑戰(zhàn)都和成本相關，目標是從目前的5美元/Gb，到2020年降至0.1美元/Gb以下。

雖然硅光子技術供應鏈正在逐步形成過程中，落后主流的硅半導體供應鏈好多年。然而，縱觀全球，大舉的研發(fā)并購和相關項目正在進行，為現(xiàn)有廠商做好知識產(chǎn)權布局。對于外包半導體組裝和測試廠商來說，由于市場對低成本封裝解決方案的需求，其機遇也必定會增加。隨著晶圓消耗數(shù)量的增長，將驅(qū)動成本不斷降低，硅光子代工廠必定會涌現(xiàn)出來。

圖表：未來硅光子集成發(fā)展路線圖

資料來源：Optoelectronics Research Centre， University of Southampton

目前國外的主流企業(yè)認為，硅光子下一款產(chǎn)品或許將會是基于硅光子技術的收發(fā)器。除此之外，硅光子技術也將應用于其它產(chǎn)品，如光學生物傳感器、氣體傳感器以及無人駕駛汽車應用的激光雷達傳感器等。硅光子技術能夠通過光學功能集成和微型化進一步獲得有價值的產(chǎn)品，由此將推動兩種特別有前景的應用發(fā)展，它們分別是無人駕駛汽車應用的激光雷達傳感器和生化傳感器。

美國一直注重光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，早在1991年就成立了“美國光電子產(chǎn)業(yè)振興會”（OIDA），以引導資本和各方力量進入光電子領域。2008~2013年，DARPA開始資助“超高效納米光子芯片間通訊”項目（Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications，UNIC）。目標是開發(fā)和CMOS兼容的光子技術用于高通量的通訊網(wǎng)絡。2014年，美國建立了“國家光子計劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學與光子基礎研究與早期應用研究計劃開發(fā)，支持4大研究領域及3個應用能力技術開發(fā)，并提出了每一項可開發(fā)領域的機會和目標。

美國以IBM、Intel、Luxtera公司為代表，近年來都在光互連技術研發(fā)方面取得了不錯的成績。

日本發(fā)展光電子技術時間也較早，1980年，為推動光電子技術的發(fā)展，日本成立了光產(chǎn)業(yè)技術振興協(xié)會（OITDA）。在產(chǎn)業(yè)化及市場方面，由于光電領域的重大技術發(fā)明多產(chǎn)生于美國，因此，早期日本政府主要是靠引進外國技術進行消化吸收，后期則是自主創(chuàng)新過程。2010年，日本開始實施尖端研究開發(fā)資助計劃（FIRST），該計劃由日本內(nèi)閣府提供支援。FIRST計劃是從600個提案中選出30個核心科研項目予以資助，項目資助的總金額達到1000億日元。光電子融合系統(tǒng)基礎技術開發(fā)（PECST）是FIRST計劃的一部分，以在2025年實現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”為目標。

硅光子技術在歐洲各國也受到了廣泛的關注。2010年前，為了發(fā)展光電子集成電路（OEIC），歐洲發(fā)起了幾大項目：PICMOS項目驗證硅回路上InP鍵合器件的全光鏈路；隨后發(fā)起的WADIMOS項目進一步驗證光網(wǎng)絡；英國硅光子學項目和歐洲HELIOS項目主要關注光電子集成的電信設備，可以完成SOI光子回路的晶片鍵合或光子金屬層的低溫制造。從2013開始， 歐盟的節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導體量子點和量子點材料的異質(zhì)集成（SEQUOIA）項目一直在開發(fā)具有較好的熱穩(wěn)定性、高調(diào)制帶寬以及可能產(chǎn)生平面波分復用蜂窩的混合III-V激光器。作為歐盟第七框架計劃（FP7）研發(fā)領域的具體目標研究項目（STREP）之一，IRIS項目由愛立信與歐洲委員會聯(lián)合創(chuàng)建，旨在利用硅光子技術，創(chuàng)建高容量和可重構WDM光交換機，實現(xiàn)在單個芯片上整體集成電路。

2013年，歐盟啟動4年期針對硅光子技術的歐盟PLAT4M（針對制造的光字庫和技術）項目。該項目的目的是打造硅光子技術的整個產(chǎn)業(yè)鏈，聚集了以法國微電子和納米技術研究中心CEA-Leti為領導的包括德國Aifotec公司等在內(nèi)的15家歐盟企業(yè)和研究機構以及潛在用戶。

在硅基光子學研究方面，我國較早開展了相關研究，例如中科院半導體研究所的王啟明院士近年來專心致力于硅基光子學研究，主持了國家自然科學基金重點項目“硅基光電子學關鍵器件基礎研究”，在硅基發(fā)光器件的探索、硅基非線性測試分析等方面取得了許多進展。但從整體來看，我國對硅基光子學的研究與世界相比還有一定差距。

我國硅光子產(chǎn)業(yè)也處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)基礎較為薄弱。目前，光迅科技、華為、海信都已經(jīng)在硅光子產(chǎn)業(yè)開展部署規(guī)劃，光迅科技已經(jīng)投入研發(fā)探索硅光集成項目的協(xié)同預研模式，力爭打通硅光調(diào)制、硅光集成等多個層面的合作關節(jié)，但是國內(nèi)整體技術發(fā)展距離發(fā)達國家仍有較大的差距。中國在光電子器件制造裝備研發(fā)投入分散，沒有建立硅基和 InP 基光電子體系化研發(fā)平臺。隨著國內(nèi)企業(yè)綜合實力逐漸增強，以及國家集成電路產(chǎn)業(yè)的扶持，國內(nèi)廠商需要不斷加快推進硅光子項目。