跨越“纳秒传输速度”的硅基光电子技术

庄嘉

2019年8月，华为申请了“光计算芯片、系统及数据处理技术”的发明专利，在2021年华为全球分析师大会上，明确表示正在研究光子计算

据阿里巴巴达摩院发布的“2022年十大科技趋势”，“硅光芯片”赫然在列。若此语应验，那么将催生信息时代的一项新技术革命，该项技术革命的基石就是硅基光电子技术。

硅基光电子技术堪称“21世纪的划时代技术”，将促进数据中心、量子通信、智能驾驶、消费电子等精细领域发生变革，有望解决网络拥堵和延迟、数据极高速率传输、电子芯片物理极限等前沿问题。

“硅光芯片”被列入“2022年十大科技趨势”的主要依据是：目前被广泛应用的电子芯片已被人类发展到了物理极限，在数据传输和算力等方面遭遇瓶颈;硅光芯片被认为是最适合解决电子芯片物理极限问题的底层路径，有望在数据传输和算力等方面突破“摩尔定律”。

实然，我们熟知被深度应用的电子芯片是受制于摩尔定律的。根据摩尔定律，当电子芯片的晶体管程达到3纳米，便已接近物理极限，数据传输能力难以继续翻倍。然而，“硅光芯片”却能突破这些瓶颈，将信息算力提升到另一个高度！“硅光芯片”是指，在给磷化铟施加电压时，光进入硅片的波导产生持续的激光束，从而驱动其他硅材质的芯片，进而集成到单一硅基芯片上，形成高集成度的“硅光芯片”。

北京邮电大学教授、博士生导师李培刚指出：“‘硅光芯片’是基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体工艺进行光器件开发和集成，结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性以及光子技术超高速率、超低功耗的优势，与现有的半导体晶圆制造技术是相辅相成的。”基于此，不同于电子芯片，用光子代替电子进行信息传输，并结合光子和电子优势的“硅光芯片”，具备光波导传输性好、功耗低、时延低、运算速度快等特质。一方面，在数据运输上，光子解决了电子的物理极限问题;另一方面，在算力上，光子克服了线性运算的局限，应用矩阵乘法进一步提升了算力，延时远远低于电子芯片，且光子在传播时不会发热。

由此可见，“硅光芯片”的研发应用开辟了芯片发展的新赛道，将为超级计算、人工智能等新技术、新产业蓬勃发展提供有力支撑！从2018年开始，在“硅光芯片”的研发应用上，我国就步入了快车道。2018年8月，中国信科宣布我国首款商用“100G硅光收发芯片”正式投产。2019年9月，我国西永微电子产业园区的联合微电子中心有限责任公司（以下简称“联合公司”）实现了8英寸硅基光电子技术工艺平台的通线，并正式向全球发布“180纳米成套硅光PDK（工艺设计数据包）”，这标志着我国具备了硅基光电子领域全流程自主工艺制造能力。2021年12月，中国信息通信科技集团光纤通信技术和网络国家重点实验室联合国家信息光电子创新中心（NOEIC）、鹏城实验室，在国内率先完成了1.6Tb/s硅基光收发芯片的联合研制和功能验证，实现了我国“硅光芯片”技术向Tb/s级的首次跨越，并为我国下一代数据中心内的宽带互联提供了可靠的光芯片解决方案。目前，国际上400G光模块已进入商用部署阶段，800G光模块样机研制和技术标准正在推进中，而1.6Tb/s光模块将成为下一步全球竞相角逐的热点。

此外，在“十四五”规划中，上海、湖北、重庆、苏州等地的政府均将“硅光芯片”列入重点发展产业清单中，明确提出发展“硅光芯片”与器件，重点突破硅光子、光通信器件等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、基于CMOS（互补金属氧化物半导体）的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。

实然，硅基光电子技术的应用不仅仅局限于“硅光芯片”，在很多领域均有其用武之地。在量子通信领域，日本、英国走在了世界前列。日本早在2019年就在处理器中引入光网络技术，已经开发出了超小型光电变换元件，并正开发高性能、低耗电的光电融合型信息处理器件。该器件将应用于异构计算系统，节能、高通量数据处理以及超低延迟检测、模式匹配处理等领域。英国则启动了硅光子学项目，聚焦光电子集成的电信设备，完成了光子回路的晶片键合或光子金属层的低温制造，从而进一步提升通信效能。

在数据中心领域，日本在《尖端研究开发资助计划（FIRST）》中将“光电子融合系统基础技术开发（PECST）”列入其中，意图在2025年实现“片上数据中心”的目标。2019年8月，我国华为申请了“光计算芯片、系统及数据处理技术”的发明专利，在2021年华为全球分析师大会上，明确表示正在研究光子计算。华为董事、战略研究院院长徐文伟表示，“到2030年，全球算力需求将增加100倍，如何打造超级算力将是一个巨大的挑战，未来光子计算面临巨大的应用场景”。

在智能驾驶领域，我国联合公司开发了国内领先的激光雷达光学相控阵天线。诚如该公司副总经理、技术总监郭进所言，“高集成度的硅光学相控阵技术是未来激光雷达在无人驾驶、无人机等领域全固态、小型化发展的必由之路。目前在核心发射芯片、系统及算法方面取得突破，有望在未来几年开发芯片级激光雷达，并广泛应用于自动驾驶与机器人领域”。

据英特尔的《硅基光电子技术产业发展规划》透露，“硅光模块产业已进入快速发展期。2022年，硅基光电子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面将全面超越传统光模块，预测硅光模块的市场增速为40%，2024年将达到39亿美元，届时有望占据整体市场规模的21%”。

据悉，目前包括英特尔、比利时IMEC、新加坡AMF、格芯半导体、光迅科技、华为、海信等在内的世界500强企业均在布局硅基光电子技术。欧盟更是早在2013年就启动了针对硅基光电子技术的PLAT4M（针对制造的光字库和技术）项目，意图打造硅基光电子技术的整个产业链，聚集了以法国微电子和纳米技术研究中心 CEA-Leti为领跑者的包括德国Aifotec等公司在内的15家欧盟企业、研究机构及潜在用户。

毫无疑问，不同于依赖电子为传输媒介的技术，硅基光电子技术充分运用了光子与电子融合，并借助硅为诱发，刺激光子突破电子的局限，以实现光子代替电子的作用。理论上，硅基光电子技术发展主要可以分为三个阶段：第一阶段，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化;第二阶段，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像乐高积木一样，通过不同器件的组合，集成不同的芯片;第三阶段，光电一体技术融合，实现光电全集成化。把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。

中科院半导体研究所的王启明院士表示：“目前，硅基光电子技术仍然处在第二阶段。”虽然硅基光电子技术即将被应用于规模化商用，但不可否认的是，目前仍然存在技术难点需要攻破，比如设计工具非标准化、硅光耦合工艺要求较高以及晶圆自动测试及切割等技术性挑战。

可以预见，在未来，硅基光电子技术将掀起又一次划时代的技术革新，将人类社会从“电子的信息时代”引入“光子的信息时代”，从而突破信息传输速度“纳秒门槛”，开启人类探索微观世界的崭新视域！

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com

“硅光芯片”被列入“2022年十大科技趋势”