光芯片，國產替代的最大機會

來源 I 甲子光年

作者 I 小賢

傳統電芯片在摩爾定律失效後逐漸逼近性能極限，越來越多的從業者將目光轉向了光。

對比電子芯片，光芯片的特點在於高速率和低功耗。在通信領域，光纖通信在數據傳輸中撐起了5G的覆蓋，而計算、儲存領域也給光芯片留出了巨大的舞台。

光芯片遠超電芯片的性能潛力，讓其成為了一條硬科技發展的確定賽道。 近幾年，英特爾、英偉達、格芯等海外芯片廠商紛紛出手併購光芯片項目，在新賽道抓緊佈局發力。而在國內，華為等廠商也投資了超過十餘家光芯片公司，覆蓋產業鏈上下游。

從技術競爭的角度來看， 光芯片被認為是與國外研究進展差距最小的芯片技術，被寄予了中國“換道超車”的希望。

北京大學信息科學技術學院教授，北京大學深圳系統芯片設計重點實驗室主任何進對「甲子光年」表示，從電芯片到光芯片是芯片產業發展的重心。 中國依託龐大的應用終端，未來可能在光芯片應用上和國外並駕齊驅。

從電到光，中國芯片產業正在向光而行。

後摩爾時代的曙光

一顆光計算芯片的誕生

儘管光芯片的發展被寄予厚望，但過去很長時間裏，光計算卻是一個長期被困在實驗室、高校的技術。2017年，麻省理工學院物理學博士沈亦晨以一篇關於AI計算光芯片重磅論文打開了突破口。

當時，沈亦晨以第一作者身份在《自然–光子》期刊以封面論文的位置發表了集成光子計算的重要學術成果，其概念是把傳統電子信號轉成光信號，讓光信號通過光子芯片，並且控制這些光之間的干涉。當這些光相互干涉、以及這些數字發生計算時，整個計算時間就是光線通過芯片的時間：0.1 -0.5 納秒。而同樣大的矩陣乘法，在電芯片上的運算時間要長百倍左右。

這篇論文成為光子計算芯片發展的一大節點，在學界和業界都掀起了巨大反響，投資人、創業者紛紛登門。這也成為了沈亦晨走出實驗室，創立公司的一大推動力。同年，沈亦晨創辦了光子AI芯片公司曦智科技。而該論文第二作者Nicholas Harris在同一個技術領域創辦了Lightmatter。

回憶起當時的場景，沈亦晨表示：“曦智科技算是其中最早起步的公司之一。創立時，連AI芯片都是一個新概念，更不用説光子AI芯片了。所以業界也常常把我們和量子計算這種前沿科技歸為一類。”

隨着英特爾、英偉達等業界巨頭在光子計算芯片領域的成果逐漸發佈，貫穿科研到產業、光子AI芯片開始邁出從被質疑到廣泛認可的過程。創業者、市場的信心愈發明顯。5年時間裏，全球範圍內光子AI芯片公司從零星的一兩家，增加到目前的20多家。

據介紹，曦智科技成立至今，公司總融資額超過2.2億美元。以十餘名MIT博士為核心，全球團隊超過200人，辦公室、實驗室分佈波士頓、上海、杭州、南京等地。

同期成立的Lightmatter在美國也頗受關注，公開資料顯示，其成立後先後獲得了經緯美國、GV（原Google Capital)、惠普、洛克希德·馬丁、美國國防部的投資，融資總額約1.1億美元。

“光子芯片無疑是行業裏最熱的方向之一。”沈亦晨説。

2021年底，曦智科技推出了基於光子芯片打造的計算處理器PACE，也是全球第一個可以展現出光子優勢的計算系統。

據瞭解，PACE的結構由光芯片和電芯片兩部分組成。電芯片主要進行數據的存儲、數模混合的調度，而光芯片則進行數據的計算。最後，光和電芯片會通過3D封裝技術倒裝的堆疊組成。

PACE光子芯片中集成了超過1萬個光子器件，芯片運行速度 1GHz，與目前市場上能買到單個算力最高的英偉達的GPU3080相比，跑一個特定的循環神經網絡算法，PACE所需要的時間少於GPU所需時間的1%。

沈亦晨表示，這種對比並不是為了在通用性上證明PACE可以跑所有的神經網絡，且速度提升百倍。但PACE的表現説明了光計算優勢的上限和它的潛力。

此外，光芯片的優勢不僅體現在技術本身，在性能的提升方面，光芯片對先進製程工藝依賴性也更小。

沈亦晨表示，硅光芯片不需要對製程有特別高的要求，比如65或者45納米的COMS工藝線就可以滿足現在光芯片、光計算所有的要求。光芯片性能的提升更多是從其他方面進行技術迭代，包括主頻、波長數量還有不同的模式。

嚴格來説，PACE所代表的是電子芯片深度結合的光電混合的運算，而非純光計算。“在可預見的未來時間裏，都會是與電子芯片深度結合的光電混合運算。”沈亦晨表示。

如此一來，PACE在與外部的交互上可以通過電芯片來完成，將所有指令集編譯器和SDK都承載在電芯片上，在軟件方面兼容現有芯片的生態。而光芯片部分則承接主要任務的處理器工作，包括線性計算和數據網絡。

沈亦晨表示，曦智即將推出更通用化的計算產品，若將光的互聯和光的計算一起加上去，對第一代產品來説，只要能表現出3-5倍的算力優勢，就足夠在廣闊應用裏找到巨大的市場空間。

硅光時代，中國機遇

光子集成電路雖然目前仍處於初級發展階段，但毋庸置疑，這種發展趨勢已成必然。2021年12月，阿里巴巴達摩院發佈2022十大科技趨勢，光電芯片也位列其中。

但需要指出的是， 光芯片 的出現，並非為了完全顛覆與代替電芯片。 事實上，光子芯片需要與成熟的電子芯片技術融合，運用電子芯片先進的製造工藝及模塊化技術， 結合光子和電子優勢的硅光技術將是未來的主流形態。

當下，硅光發展尚不成熟的原因是多方面的。芯片的商用化依賴極長的產業鏈，從設計、製造到後期的送樣和商用，時間週期以數年計。目前硅光集成的工藝尚未成熟，帶來芯片良率低、成本優勢不明顯，以及無自動化設計、設計與工藝脱節等問題，需要產業鏈上下游共同參與，形成更完善的硅光生態。

“商業化本身是一個持續且漫長的過程，就像第一個智能手機的普及就花了10年時間，光電混合的計算芯片能在未來一兩年內送到客户手上。但大規模商用、通用性計算產品還需要時間。”沈亦晨表示。

總體來看，當下硅光芯片產業鏈在成熟度上還遠不如電芯片，在芯片巨頭資源傾注下，產業鏈正在快速成長中。以光通信為主，包括光計算、光傳感路線的激光雷達快速發展，都在驅動着硅光供應鏈越來越成熟。

“尤其是最近兩三年，國際上許多大型晶圓廠，EDA設計公司，封測廠都開始正式佈局硅光方向。”沈亦晨表示。曦智科技也正與一線晶圓廠、封裝廠建立戰略合作，推動硅光生態的發展。

中科創星創始合夥人米磊告訴「甲子光年」，“在2013年基金剛成立時，光電芯片在中國屬於極冷門的賽道，放眼望去，只有科研院所和少數海歸芯片人才從事相關研究工作，也鮮有投資機構問津。”

巧合的是，那一年中國芯片進口規模首次超過了石油。在捕捉到這一現象後，米磊就判斷將來中國的芯片產業極有可能被“卡脖子”。於是光學背景出身的米磊就開始在中國尋找光電芯片項目。

為打造光子產業生態，2015年，中科創星發起了首個光電芯片產業孵化平台——陝西光電子先導院，並投入數億元人民幣，購置專業設備，建設潔淨廠房，招募專業化人才，提供完備的配套服務，幫助早期芯片企業流片。

次年，中科創星又成立了10億元規模的早期基金，專門投向光電子領域。就在這一年，市場環境走向轉折，風靡了近60年的集成電路遭遇了發展瓶頸，巨頭英特爾宣佈不再按照“摩爾定律”推出芯片。米磊提出“米70”定律，呼籲大家關注集成光路。

他認為，未來光學成本在產品總成本中的佔比至少會達到70%。到時候，光學器件、機械器件、電子器件都有可能會逐步芯片化，甚至有可能集成到一個芯片裏面。

如今，在中科創星投資孵化的370多家硬科技企業裏面，光+半導體項目就超過了150家，推動中科創星形成了以“光電芯片”為核心的投資佈局。

在近期舉辦的EmTech China 全球新興科技峯會上，米磊在分享中表示，過去六十年的科技革命是集成電路和光通信推動的信息化革命，未來便會是以光子、人工智能、新能源和生命科學為代表的新一輪科技革命。

隨着近年來一個個細分技術領域的成熟、實現落地應用，光電產業的發展不斷提速。

2017年，iPhone X搭載3D攝像頭，藏在劉海屏後面的人臉識別技術在手機領域被廣泛接受，作為3D傳感技術核心組件的VCSEL激光芯片迎來井噴式增長。在自動駕駛領域，激光雷達作為感知環節的重要一環，以Quanergy為代表的激光雷達公司在自動駕駛熱潮中迅速成為獨角獸，也為光芯片帶來更多關注度。

華西證券在一份硅光產業報告中表示，2019年，全球硅光市場規模為4.8億美元，預計到2025年將成長至39億美元，複合增長40%。

“總的來説，電芯片時代是用原創技術去找市場，光芯片則是市場爆發需求，反過來研發原創技術來滿足需求，從這個角度來説，智能時代，我們有新的業態，新的需求，中國比全世界任何國家都有更多的人願意擁抱新技術。”何進説。

他認為，在信息基礎設施建設和新的IT技術建設層面，中國有更大的市場需求和更多擁抱新技術生態的熱情，應用生態比國外更好，因此中國光芯片產業有可能利用應用生態優勢在光芯片領域形成一定的優勢。

“未來，中國最大的機遇一定是在光子時代。” 米磊在採訪中表示，光是人工智能時代的基礎設施，無論是5G的網絡，還是獲取數據的傳感器，總之在通信、工業、消費等大部分領域都需要光芯片來支撐。

“今日光電芯片的發展階段，相當於微電子芯片在上世紀六七十年代的階段，廣闊的市場空間還在等着我們。”米磊説。

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