【第四屆進博會技術裝備展區集成電路專區現場（2021年11月5日攝） 張建松攝】
◆ 信息時代的基礎設施是電子芯片（集成電路），人工智能時代將更多地依托光子芯片（集成光路），光子芯片是未來新一代信息產業的基礎設施和核心支撐◆ 光子對電子并不是替代關系，準確地講光子產業是對電子產業的升級，能夠催生新的產業◆ 現在是否應全面布局人工智能時代的基礎設施，大力發展培育光子芯片，引領未來的“消費光子時代”？◆ 隨著國內相關技術的快速發展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領先優勢
隨著全球集成電路產業發展進入“后摩爾時代”，其進一步提升的難度與時間成本都非常之高。在面向“后摩爾時代”的潛在顛覆性技術里，光子芯片已進入人們的視野。其所具有的高速度、低能耗、工藝技術相對成熟等優勢，能夠有效突破傳統集成電路物理極限上的瓶頸，滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯網、云計算等產業對信息獲取、傳輸、計算、存儲、顯示的技術需求。也因之國際巨頭正投入大量資源進行研發，目前已對傳統芯片形成部分替代，并在5G通信、大數據中心等領域開拓了大量新應用。對我國而言，既要在傳統賽道電子芯片領域盡快補短板，也要盡早在光子芯片等新賽道布局發力。雙管齊下，抓住新一輪科技革命和產業變革的機遇，努力爭取實現“非對稱趕超”。
芯片是人類信息技術史上的一次變革性突破。從石器時代的壁畫、巖畫，到農業時代的竹簡、活字印刷術，再到工業時代的電話、電報、電視，人類信息生成、傳輸、處理、存儲等載體發生了多次變革。從本質上講，芯片就是通過利用半導體材料的物理特性來實現對承載信息的微觀粒子（電子或光子等）的操控，進而實現信息生成、傳輸、處理、存儲等的一種關鍵技術。
電子芯片是利用電子來生成、處理和傳輸信息的，光子芯片則是利用光子來生成、處理、傳輸并顯示信息的。自19世紀末、20世紀初物理學發現電子以來，人類開辟了電子技術的新時代。通過在半導體材料上對電子進行操控，人類實現了通過電子來生成、處理和傳輸信息，實現了信息技術的跨越式發展。從首個電子管被制造出來，到晶體管誕生，半導體技術不斷發展。直到集成電路被發明出來，電子芯片成為現代信息技術的基石，推動人類社會進入了微電子科技時代。電子芯片誕生以來，經過六七十年的發展，圍繞它已形成一個成熟、龐大的產業體系，帶動了信息產業、軟件行業和消費電子產業的高速發展，催生了CPU、操作系統、PC、手機、筆記本電腦等數萬億的產值以及下游互聯網、人工智能等應用領域幾十萬億的產值。光子學是與電子學平行的科學。科學家普遍認為，光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息。荷蘭科學家最早提出“以光子作為信息載體和能量載體的科學”。中國科學院西安光機所首任所長龔祖同院士（學部委員）在1978年9月召開的第二屆全國高速攝影會議的發言中提到，激光問世以后，與其聯系著的光子學逐步成長。1979年，錢學森教授在《中國激光》上著文，首次提出“光子學、光子技術和光子工業”的構想，并認為以集成光路為核心的光子計算機的運算能力可以超過電子計算機百倍、千倍乃至萬倍。電子學有四個基本要素，分別是作為載體的電子、作為傳輸介質的電纜和電路、發電機和晶體管。與之對應，在光子學中信息載體是光子，傳輸介質是光波波導和光纖，激光發射器好比發電機，光電調制元件相當于電子開關和電子晶體管。從發展路線來看，電是從電學開始到電子學，再到電子回路、電子集成、電子系統、電子工程，最后到電子產業。光是從光學開始到光子學、光子回路、光子集成、光子系統、光子工程，最后到光子產業。根據底層的科學邏輯可以判斷，人類一定會進入微光子學時代，利用微光子技術進行元器件的大規模集成必定會實現。
在電子芯片發展已有六七十年、產業已經很成熟的情況下，為什么要發展光子芯片？
一是以電子為載體的技術發展已趨近物理極限。當下集成電路是以硅為基礎材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當制程降至7納米以下時，極易出現電涌和電子擊穿問題，也就是已經很難完美地控制電子了。雖然代表全球最頂尖水平的臺積電仍然在不斷地進行3納米及2納米的技術研發及產能投資，但業內人士普遍認為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會達到物理極限，亟需尋找創新發展的出路。二是電子芯片尺寸降到極致時會出現“功耗墻”難題。比如，巨大的耗能壓力就是計算機發展的最大技術障礙之一。雖然國內外學術界和工業界進行了大量努力，但由于CMOS半導體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結構、新材料。三是過去幾十年中處理器的性能以每年約55%的速度提升，而內存性能的提升速度約為每年10%，長期累積下來，不平衡的發展速度造成了當前內存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪存瓶頸導致高性能處理器難以發揮出應有的功效。簡單來講，就是大量信息存儲不過來、計算不過來。四是電子芯片性能提升的同時，性價比在降低。業界普遍認為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。根據SEMI國際半導體產業協會的芯片主流設計成本模型圖，采用FinFET工藝的5納米芯片設計成本已是28納米工藝設計成本的近8倍，更復雜的GAA結構的設計成本只會更高，這僅是芯片設計、制造、封裝、測試中的設計環節。制造環節的晶圓代工廠的研發、建廠、購買生產設備耗費的資金會更多，比如三星在美國得克薩斯州計劃新建的5納米晶圓廠預計投資高達170億美元。有物理基礎的人應該知道，電子是費米子，是有質量的物質，所以在傳輸信號時會因為質量的慣性產生較多的能量損耗；光是玻色子，是物質之間的相互作用力，靜止質量為零，傳輸信號時能量損耗小。與電子相比，光子作為信息載體具有先天的優勢：超高速度、超強的并行性、超高帶寬、超低損耗。一是在傳輸信息時光子具有極快的響應時間。光子脈沖可以達到fs量級（飛秒量級），信息速率可以達到幾十個Tb/s，性能能夠提升數百倍。二是光子具有極高的信息容量，比電子高3~4個量級。采用光交互系統的新型使能技術可以實現低交換延遲和高傳輸帶寬。三是光子具有極強的存儲和計算能力，能以光速進行超低能耗運算。四是光子具有極強的并行和互連能力。光子是玻色子，不同波長的光可用于多路同時通信。五是光子具有超低的能耗表現。1bit信息的能耗，光子器件比電子器件低3個數量級，僅為電子器件的千分之一。如今，科學家們的期望，就是能夠像芯片控制電子那樣可靠地控制光子，以獲得更好的性能。以能耗的視角來看，目前以集成電路為基礎的數字產業能耗與日俱增，據測算未來五年它可能會發展至消耗掉全球20%的電力供應。如果沒有技術變革或突破，未來人類極有可能要在信息數據和能源之間做出選擇。而以光子芯片為基礎的技術路線，理論上有望將數字產業能耗降低至電子芯片的千分之一。因此，發展更為節能的光子技術，也是實現碳中和目標的關鍵一環。同時，光子技術的應用并不局限于芯片，其發展還可能推動人類更好地利用最大的“光子發射器”——太陽，以進一步挖掘能源領域的潛力。根據底層的科學邏輯，可以預見光子學、光子技術、光子產業將和電子學、電子技術、電子產業一樣高速發展。值得注意的是，雖然光子和電子相比有上述提及的優勢，但從產業發展角度來看，光子對電子并不是替代關系，準確地講光子產業是對電子產業的升級，能夠催生新的產業。光子能夠對現有的電子芯片性能進行大幅度提升，解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計算機整體性能等難題。更為重要的是，過去電子芯片主要應用于計算和存儲領域，而光子芯片可以在信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲及信息顯示等領域催生眾多新的應用場景。在信息獲取方面，激光雷達、光傳感將在人工智能、自動駕駛、物聯網等領域形成新的應用場景。在信息傳輸方面，形成了5G、光通信、量子通信等為代表的應用場景，產業規模巨大。在信息處理方面，形成了光子計算、量子計算等應用場景，未來將大幅度提升計算機性能。在信息存儲方面，5D激光存儲、光收發模塊等將形成云計算與大數據中心等新的應用場景。在信息顯示方面，將形成VR、AR及microLED等新的信息顯示應用場景。此外，光子芯片在生命健康、超導材料以及國防裝備等方面，將形成神經光子學、免疫分析、高超音速武器等新的重大應用場景。可以說，信息時代的基礎設施是電子芯片，人工智能時代將更多地依托光子芯片，光子芯片是未來新一代信息產業的基礎設施和核心支撐。
科技發展史印證了一個事實：誰能抓住一個時代的革命性技術，誰就能夠成為一個時代的領航者。英國利用機械革命實現了對古代中國的超越，美國利用電子技術實現了對英國的超越。中國要實現新的超越，應抓住光子技術革命的重要機遇。
一輪科技革命紅利擴散的周期大約為60年。從20世紀60年代開始，集成電路作為革命性技術推動了信息化的發展，到現在已經過去了60年，開始進入科技紅利擴散的衰退期。2008年以美國次貸危機為代表的全球經濟衰退，本質上就是上一輪科技革命推動力衰退的體現。當下全球經濟發展急需新一輪科技革命的驅動。作為集成電路的“非對稱性”技術，光子芯片有望成為信息領域新的底層技術支撐。目前，全球光子芯片產業剛剛起步，作為獨立于電子集成技術的新集成技術，其技術壁壘還沒有形成，這為我國光子芯片提供了足夠的研發時間與市場空間，也為我國信息產業發展提供了巨大的機會。近年來，我國在光子集成方面取得了一定的進展，著眼于光子集成技術實施了一系列重大研究計劃，包括973、863、國家自然科學基金重大項目等。雖然過去國內在相關技術領域處于落后狀態，但隨著研究基礎的加強及技術人員的不懈努力，目前國內已經具備了光子集成芯片研究條件，并且擁有巨大的光子芯片市場前景。在基礎理論方面，中國與美國基本處于同一水平。現代光學理論源于愛因斯坦的原子輻射研究，基于愛因斯坦的研究設想，美國科學家于1960年發明了世界上第一臺紅寶石激光器。1961年，中國科學院長春光機所就研制出了中國第一臺紅寶石激光器。自現代光學產生以來，我國始終保持著持續的投入和研究，在基礎理論研究方面一直與美國齊頭并進。在技術方面，中外各有優勢。比如，在光子集成技術研究方面，我國中科院西安光機所、中科院微電子所、中科院半導體所、上海微系統所和上海交大、清華大學、浙江大學、華中科技大學等都進行了長期研究，國家針對光子集成技術也實施了一系列重大研究計劃，在光子集成技術方面取得了很大的成就。目前世界上最高的光子集成規模為2014年實現的單片集成超過1700個功能器件。我國2016年啟動的B類先導專項——大規模光子集成芯片致力于開發集成器件大于2000的大規模光子集成芯片，并最終實現了15408個器件的大規模集成，集成規模世界領先。在光子芯片設計水平方面，我國處于世界一流水平。曦智科技設計出了全球首款光子計算芯片原型板卡，最新的單個芯片可集成12000個光子元器件，一些算法的實測性能已超過英偉達gpu的100倍，在光子計算領域領先國外。洛微科技發布了目前集成度最高的多通道FMCW激光雷達SoC光子芯片，單個芯片上可集成3000多個光子元器件。在產業化方面，全球還處于起步孕育期，產業生態尚未形成，美國僅具有微弱優勢。美國于2004年首次實現大規模光子集成，2017年下半年英特爾開始大批量供應100G產品，標志著光子集成真正進入到主流應用領域。我國于2012年進入規模化集成階段，與美國差距不大。總體而言，相較于美歐在集成電路、機械等領域擁有數十年的積累優勢，我國在光子芯片領域與國外差距較小，與美國的差距僅有5~10年。隨著國內相關技術的快速發展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領先優勢。目前全球光子芯片產業尚未成熟、定型，世界上還沒有任何一個公司、任何一個國家構建出光子集成生態，這也為我國在“后摩爾時代”換道超車提供了巨大空間。
全球科技革命是沿著機械化、電氣化、信息化、智能化的演進規律和邏輯在推進的。第一次科技革命是以蒸汽機為代表的機械革命；第二次科技革命是以電為代表的電氣化時代；第三次科技革命是以集成電路為代表的信息化時代。過去200多年，本質上是機械和電的時代，但它們的性能現在已經發展到了極致。下一個時代，很大可能將是光+人工智能的時代——以集成光路為基礎設施的智能化時代。回顧科技史可以發現，人類的技術變革是由以“機電光算”（機械、電路、光學、算法）為代表的底層技術推動的。未來，“機電光算”的發展趨勢就是芯片化——電發展到集成電路，光發展到集成光路，機發展到MEMS芯片。未來光子技術將變得更加重要，隨著摩爾定律瀕臨失效，光子技術在科技產品中的占比將逐漸增加。基于此，2016年我們提出了“米70定律”，認為未來光學成本將占所有科技產品成本的70%。這一判斷已在很多領域得到驗證。例如，目前通信網絡建設成本中的70%是光學成本，包括光學設備和系統的采購；無人駕駛汽車公司已將70%的資金投入到激光雷達等光學器件上；在顯示領域，液晶面板中光學成本也占到了70%~80%的比例。未來，智能手機和智能汽車上的創新基本都是在光學方向發力。如果說19世紀是機械的世紀，20世紀是電的世紀，那么21世紀將是光的世紀。從技術演進和投資方向來看，美國20世紀70年代開始布局信息產業底層技術和基礎設施電子芯片，80年代扶持軟件產業發展，90年代布局光通信，2000年發力互聯網，搭建了完整的互聯網基礎設施，引領了全球信息產業革命，獲得巨大的產業紅利、全球紅利和時代紅利。類比集成電路技術“器件系統-小型化-微型化-中小規模集成化-大規模集成化-芯片系統”的演進過程，可以說現在集成光路技術的整體發展正處于類似于上世紀60年代初集成電路的大規模集成階段。在這個階段，我們需要深入思考：現在是否應全面布局人工智能時代的基礎設施？是否應該抓住千載難逢的行業發展機遇，以極具前瞻性的眼光，大力發展培育光子芯片，引領未來的“消費光子時代”？近十年來，歐美發達國家圍繞光子產業發展皆進行了系統的部署和行動。1991年美國政府便將光子學列為國家發展重點，認為光子學在國家安全與經濟競爭方面有深遠的意義和潛力，通信和計算機研究與發展的未來世界屬于光子學領域。此后相繼成立了“美國光電子產業振興會”、“國家光子計劃”產業聯盟、國家光子集成制造創新研究所。2021年，為確保美國在全球光基礎技術創新方面保持領先，美國國會牽頭成立了國家光學與光子學核心小組，并投入巨資支持光子技術發展。此外，IBM、英特爾、思科等科技巨頭也在光子芯片領域進行了廣泛布局。我國多區域已將光子產業作為最具戰略性、基礎性、先導性的新興產業予以部署。北京加快布局建設光電子新型研發機構，發起成立光子硬科技投資基金。陜西率先發布“追光計劃”，致力于打造國內首個集“新型研發機構+共性技術平臺+基金+產業集群”于一體的“兩鏈”融合光子產業創新生態。“滑向球將要到達的地方，而不是它已經在的地方。”迎著智能化曙光，未來將掀起光子技術產業革命，類似于從電子工業的晶體管邁入集成電路時代的技術革命，集成光路將是半導體領域60年一遇的“換道超車”重要機遇。光子芯片或將成為第四次科技革命中5G、物聯網、人工智能等技術和產業的基礎設施，推動人類社會邁進“光子時代”。（作者系陜西光電子先導院執行院長；來源：昆侖策網，轉編自“瞭望”，原刊于《瞭望》2022年第2期）
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