電子技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，廣泛應(yīng)用于生活中的方方面面，如今已經(jīng)成為我們不可或缺的一部分。從1947年，威廉·邵克雷、約翰·巴頓和沃特·布拉頓成功地在貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出第 一個(gè)晶體管；到1961年，第 一個(gè)集成電路專利被授予羅伯特·諾伊斯；再到1971年：英特爾發(fā)布了其第 一個(gè)微處理器4004……電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今也有七十多年的歷史，其中電子芯片作為電子技術(shù)的核心，也有四十多年的產(chǎn)業(yè)積累。
借助硅光芯片實(shí)現(xiàn)彎道超車
隨著我國(guó)將芯片列為國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃產(chǎn)業(yè)，“中國(guó)芯”三個(gè)字一直是我們的夢(mèng)想，由于產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的局限，這個(gè)夢(mèng)想并沒(méi)有那么容易實(shí)現(xiàn)。有激情、夢(mèng)想是好事，但認(rèn)清現(xiàn)實(shí)更有助于我國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展，想在電子芯片上短時(shí)間超越歐美日韓等世界頂 尖國(guó)家無(wú)異于癡人說(shuō)夢(mèng)。
盡管如此，但我們并非全無(wú)機(jī)會(huì)，借助硅光芯片實(shí)現(xiàn)彎道超車，這不失為一個(gè)捷徑。
硅光芯片是光子芯片中最常見(jiàn)的一種，這種芯片利用的是半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)。2016 年，科學(xué)家們提出了一種使用光子代替電子為理論基礎(chǔ)的計(jì)算芯片架構(gòu)，由于光和透鏡的交互作用過(guò)程本身就是一種復(fù)雜的計(jì)算，并使用多光束干涉技術(shù)，就可讓相關(guān)系尋反應(yīng)所需要的計(jì)算結(jié)果，這種芯片架構(gòu)也叫可程序設(shè)計(jì)納米光子處理器。
近日，有媒體報(bào)道，我國(guó)自行研制成功的“100G硅光收發(fā)芯片”正式投產(chǎn)使用。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)獲悉，這款硅光芯片面積不到30平方毫米，但是上面集成了光發(fā)送、調(diào)制、接收等六十多個(gè)有源和無(wú)源光元件，是目前國(guó)際上已報(bào)道的集成度最 高的商用硅光子集成芯片之一。
能取得這樣的成績(jī)并不驚訝，因?yàn)槲覈?guó)對(duì)硅光芯片產(chǎn)業(yè)非常重視。一方面是由于我國(guó)是通訊大國(guó)，通訊技術(shù)是衡量大國(guó)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，而光通信最關(guān)鍵的技術(shù)就是光子芯片；另一方面是我國(guó)電子芯片產(chǎn)業(yè)相對(duì)薄弱，全球光子芯片產(chǎn)業(yè)剛剛起步，對(duì)于我們并肩歐美甚至趕超，這是一個(gè)很好的超車機(jī)遇。
我們要想真正在硅光芯片上成為全球的領(lǐng)導(dǎo)者，不是砸點(diǎn)資金和人力就可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槟壳懊绹?guó)、日本在這個(gè)產(chǎn)業(yè)上也投入了重金和精力，中國(guó)的優(yōu)勢(shì)并不明顯，甚至有點(diǎn)落后。目前，國(guó)內(nèi)僅有光迅科技、海信、華為、烽火等少數(shù)廠商可以生產(chǎn)中高端芯片，但總體供貨有限，高端芯片嚴(yán)重依賴于博通、三菱等美日公司。
好消息是，我國(guó)的硅光芯片產(chǎn)業(yè)布局越來(lái)也完善，我國(guó)被稱為“光芯”的城市約有六座，目前，已經(jīng)形成武漢、大連、上海、南通等全球知名的光子芯片產(chǎn)業(yè)鏈。
硅光芯片發(fā)展的四大技術(shù)難題
一、硅光子芯片技術(shù)的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)
硅光芯片的設(shè)計(jì)方面面臨著架構(gòu)不完善、體積和性能平衡等難題。硅光芯片的設(shè)計(jì)方案有三大主流：前端集成、混合集成和后端集成。前端集成的缺點(diǎn)是面積利用率不高、SOI襯底光/電不兼容、靈活性低和波導(dǎo)掩埋等，在工藝上的成本超高；后端集成在制造方面難度很大，尤其是波導(dǎo)制備目前而言很有挑戰(zhàn)；至于混合集成，雖然工藝靈活，但成本較高，設(shè)計(jì)難度大。
二、硅光子芯片技術(shù)的制造難題
硅光芯片的制造工藝面臨著自動(dòng)化程度低、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、設(shè)備緊缺等技術(shù)難關(guān)。由于光波長(zhǎng)難以壓縮，過(guò)長(zhǎng)的波長(zhǎng)限制芯片體積微縮的可能。同時(shí)光學(xué)裝置須要更精 確的做工，因?yàn)楣馐鴤鬏數(shù)男┪⑵顣?huì)造成巨大的問(wèn)題，相對(duì)需要高技術(shù)及高成本。光子芯片相關(guān)的制程技術(shù)尚有待完善，良品率和成本將是考驗(yàn)產(chǎn)業(yè)的一大難題。
三、硅光子芯片面臨的封裝困擾
芯片封裝是任何芯片的必經(jīng)流程，關(guān)于硅光子的芯片封裝問(wèn)題，這是目前行業(yè)的一大痛點(diǎn)。硅光芯片的封裝主要分為兩個(gè)部分，一部分是光學(xué)部分的封裝，一部分是電學(xué)部分的封裝。從光學(xué)封裝角度來(lái)說(shuō)，因?yàn)楣韫庑酒捎玫墓獾牟ㄩL(zhǎng)非常的小，跟光纖存在著不匹配的問(wèn)題，與激光器也存在著同樣的問(wèn)題；不匹配的問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統(tǒng)封裝相比最大的區(qū)別。用硅光做高速的器件，隨著性能的不斷提升，pin的密度將會(huì)大幅度增加，這也會(huì)為封裝帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。
四、產(chǎn)業(yè)相關(guān)的器件難題
硅光芯片需要的器件很多，而目前仍有很多相關(guān)技術(shù)難題未解決。如硅基光波導(dǎo)主要面臨的產(chǎn)品化問(wèn)題：硅基光電子需要小尺寸、大帶寬、低功耗的調(diào)制器。有源光芯片、器件與光模塊產(chǎn)品是重點(diǎn)器件，如陶瓷套管/插芯、光收發(fā)接口等組件技術(shù)目前尚未完全掌握。
綜述：在摩爾定律的推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電子芯片逐漸遇到性能瓶頸，尤其是速度與大數(shù)據(jù)帶來(lái)的巨大壓力。光子芯片具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)，可使芯片運(yùn)算速度得到巨大提升。伴隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，光子芯片在智能終端、大數(shù)據(jù)、超算等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用。
正是有著如此多的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，在大數(shù)據(jù)、生命科學(xué)、激光武器等高端領(lǐng)域其作用不可替代。未來(lái)，光子芯片的前景廣闊，其應(yīng)用未必比電子芯片少?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是， 將來(lái)是一個(gè)光子芯片、電子芯片平分天下的局面。
