硅光子芯片能替代集成电路芯片吗？

用光子取代传统集成电路中的电子，这是一个可能产生 “颠覆式的技术创新” 方向，中国比美国晚起步十年。但实际上，技术差距没有十年那么久。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员甘甫烷告诉 DeepTech，“中国比美国更敢投入，而且人员积累、工艺积累、资金的项目积累都做了很长时间，美国比我们走得早，但我们比美国走的更快”。

甘甫烷从事硅光子研究近 20 年，回国前在“硅光子科研重镇”麻省理工学院（MIT）获得博士学位。2019 年在和上海交通大学的校友分享其在 MIT 的学术生涯时，他表示当时枯燥难懂的基础知识尤其是电磁场的各种方程，在后来却成了半导体研究的利器。在 MIT 读博期间他学到最多的是 “创造、热情、自信”。后来之所以回国，原因之一是被中国的科教兴国战略感召。

如今的他还有另外一个身份 —— 赛勒科技创始人。赛勒科技成立于 2018 年 3 月，是一家硅光芯片设计及产品解决方案提供商，目前也在积极探索如何清除硅光子生产道路上的障碍。 在硅光子业内，一般通过以下指标来衡量产品是否优质：一是速率要足够高，至少 50-100Gbps 的单波速率才有价值；二是损耗要足够低，芯片内部要做到一个调制器低于 4 分贝；三是发送端（如调制器）的驱动电压越低越好，一般要求在 2-3 伏之间，以降低功耗。 与思科、Google、Facebook 这些竞争对手相比，赛勒科技的产品在同样可以实现单通道 100Gbps 以上速率的同时，还能做到损耗相对较低，达到 3 分贝左右，而他们的竞争对手通常只能做到 4-5 分贝。此外，赛勒还可以实现单片的集成，采用全集成的方案，而不是硅光子和传统技术的叠加。 赛勒科技的方案是做三维层 —— 一层硅光子，一层 IC，一层光源，以期把硅光子最大的集成优势发挥出来。在 2016-2017 年，甘甫烷团队就制成了当时世界上硅光子集成度最高的器件。 如今，他们已经可以实现每个通道 100Gbps、共 4 通道或者 8 通道的 4×100 或 8×100 集成。“赛勒科技的产品目前在国内处于领先地位。” 甘甫烷表示。

目前，赛勒的产品处于快速发展中。在甘甫烷看来，这得益于他们团队的两项优势。首先是队伍优势。赛勒年轻的团队让他们可以拥有对客户需求的快速响应，例如芯片出光等领域，客户提出需求之后，他们可以很快予以解决，够把原来的东西重新做成一个新的格式，让客户接受。其次则是出色的供应链管理。 赛勒与代工厂建立了非常紧密的合作关系，与客户一起开发工艺，使得代工厂的工艺可以快速成熟。这已经超越了一般芯片设计公司的业务范畴，而是通过向代工厂提供很多宝贵的信息，使得后者能够以最快的速度改进技术，满足赛勒的需求。从这个意义上讲，他们已经从单纯的芯片设计，走向了硅光子芯片技术的开发。 纵观硅光子在全球的发展情况，美国是硅光子最先兴起的、也是目前发展最超前的国家，早在 20 年前就开启了利用 CMOS 工艺技术对硅光子的探索深入研究。

目前，美国的硅光子在 Facebook、Google 等公司已经开始量产，芯片出光方面也已经实现 demo 级别，很快将进入量产阶段。 而国内真正开始大规模研究硅光子是在 2010 年左右，之前多为学术上的研究，起步晚导致中国在硅光子的产品化进程上不如美国。但中国对于硅光子技术研发方面人才和资金的大规模投入，使得发展程度上不至于晚于美国 10 年之久。 甘甫烷形容，中国在硅光子领域的积累好比是十年磨一剑。他预计，有了人才、芯片工艺线、资金和市场的驱动，到 2022-2025 年大规模量产的时候，中国硅光子技术应该就很有机会和美国齐头并进了。 甘甫烷分析称，在学术研究上，起步晚导致中国在硅光子的产品化进程上不如美国。但中国对于硅光子技术研发方面人才和资金的大规模投入，使得发展程度上不至晚于美国 10 年之久。 中国在硅光子领域的积累好比是十年磨一剑。

硅光子芯片能替代集成电路芯片吗？

5G、人工智能、大数据等技术的爆发式发展，得益于芯片技术的持续迭代。反过来，日益增加的数据存储计算、信息传输需求，也对芯片的性能提出越来越高的要求。 然而，传统芯片性能的进一步提升正在遇到瓶颈。虽然劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队在 2016 年已经将晶体管制程缩减到了 1nm，但继续发展下去，单位面积芯片上晶体管的数量已经接近物理极限，芯片性能的增加正在受到限制。 对于这一趋势，各领域科学家以及产业分析师早已有所察觉，“摩尔定律失效在即” 已经成为了不少人的共识。

摩尔定律是英特尔创始人之一戈登・摩尔于 1965 年发现的一个趋势，即单个芯片上可以容纳的晶体管数目大约每经过 18-24 个月便会增加一倍，处理器的性能也将提升一倍。 但经过几十年的发展，由于单个芯片上晶体管的数目增长已经接近物理极限，除非出现颠覆式的技术创新，否则戈登・摩尔所发现的 “规律” 很有可能无法再延续。 而其中一个可能的 “颠覆式的技术创新” 方向，就是用光子取代传统集成电路中的电子，来传输信号、进行计算。这便是所谓的 “以光代电”，用 “光子芯片” 来替代传统的集成电路芯片。

不同于集成电路芯片需要将大量微电子元器件（晶体管、电阻、电容等）放在一块塑基上做成形成的集成电路，硅光子芯片用硅做成芯片，利用硅的强大光路由能力，通过施加电压产生持续的激光束驱动硅光子元件，来实现光信息的传输、计算等功能。 “以光代电” 有三个明显的优势。中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员甘甫烷向 DeepTech 解释到，“用光子来取代电子，可以实现整体性能的提升。第一，光的带宽比电子大得多；第二，相比于电，光不容易受到干扰；第三，光本身可以做部分计算。” 这样一来，光子芯片便有可能大幅提升芯片的性能，让摩尔定律得以延续。

据了解，光电混合技术已被应用于光缆传输。但 “计算能力上，目前光确实尚不足以完全替代电。” 甘甫烷表示，“作为光子取代电子，更多的是基于光子带宽大和不易受干扰这两点。” 为什么用硅来做光子器件？

“最早很多人做硅光子，是因为认为光有可能会延续摩尔定律的发展。特别是用硅来做的话，可以跟电的 IC 芯片进行单片集成，甚至替代电实现计算。” 甘甫烷介绍到。 在硅光子之前，用来做光器件的多为三五族材料（如铟、砷）。但三五族材料存在两大问题，一是材料成本较高，例如砷元素，其实是砒霜的主要元素；二是生产工艺尚不成熟，产能无法与基于硅的集成电路成熟强大的产业链相提并论。 而硅，是地球上除了氧之外含量最高的元素，沙石中最常见的元素就是硅，原材料成本非常低；再加上现在成熟的电路都是用硅实现的，经历过几十年摩尔定律的洗礼。基于硅材料的集成电路行业十分完善很发达。

因此，用硅来做光的器件，能够充分利用现有的 CMOS 工艺（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补式金属氧化物半导体，集成电路行业常用的设计工艺）以及整个生产链，不需要额外高昂的成本，量产的可行性也相对较高。 除成本低这一天然条件外，硅光子在应用中也具有绝对优势。现阶段，最主要的应用是 5G、大数据等高速传输。甘甫烷介绍，“硅光子最大的优势就是集成，原本三五族元素方案只能集成几个器件，但硅光子可以做成几万个。”高度集成化后的芯片在数据、信息的传输速率上会有极大的提升。而且，集成之后还可以实现多通道传输。对于数据中心、5G 一类长距离通讯，以及芯片内部的短距离传输来说，高带宽和多通道可以带来明显的优势。

而在计算方面，光相比于电延时很短。电的计算要经过二极管、数字等转换，转换过程产生的延迟，甚至可达到光的几百倍。用光子芯片进行矩阵计算，其用时甚至可以比电子芯片小几个量级。 另外，在传感以及激光雷达方面，硅光子亦有其广阔的应用前景。 原理上无碍，工程化未可。

从上世纪六七十年代发展到现在，硅光子的生产在原理上已经没有障碍，但在实现上依旧存在很大难题。 “设计必须要跟工艺强耦合才能做出高质量产品”，但从开始大规模采用 CMOS 工艺研发硅光子，距今经历了约 20 年左右，时间并不是很长，在工艺和技术积累上还欠些火候。 甘甫烷表示，只有彻底摸透硅光子技术，打通包括设计、工艺、封装、产品等完整的产业链条，才能真正做好硅光子。而现在能够摸透硅光子技术的团队，很少。

另外，硅光子芯片中起关键作用的片上激光器也是一个比较大的难题。以目前的研究，采用硅材料实现激光器和隔离器还是世界难题，且在工业线上实现硅光子和激光器、隔离器的混合也是困难重重。 不过，在甘甫烷看来，他所在的赛勒科技最大的价值在于他们解决了硅光子的封装难题。一个光器件中，光学封装成本大约要占到 60% 以上。这是因为，现有的技术普遍使用的是有源对光技术，需要根据观察结果反馈再进行调整以完成对光，“相当于是一边对光一边看，看的不对再调回去 。

而赛勒科技使用的无源对光技术，例如对于光纤和激光器等元件来说，可以实现它们的自动对光成功。对比传统方案，无源对光技术能够应用于产品的大规模自动化生产，有利于硅光子芯片在 5G、数据中心等方面的运用，亦有促进芯片出光 CPU 发展的可能。甘甫烷认为，这是赛勒科技相比于国内外竞争对手最大的价值所在。 -End-

原文标题：20年磨一剑，中国科学家回国创办硅光子公司！核心团队曾实现当时全球硅光子集成度最高的专用芯片｜独家对话

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