光电集成芯片有望助力解决“芯片之痛”

计算机是信息时代的重要标志，也是支撑信息技术的关键支点。随着人工智能在多领域的应用，对算力的需求呈现出爆发性的增长趋势。一方面，半导体制程已趋于电子芯片的物理极限，电子计算的发展面临“速率”和“功耗”两大瓶颈且衍生出功耗墙、访存墙与I/O墙等3大技术壁垒，现今计算访存比、计算I/O比均比理想情况低1—2个数量级，通过减小芯片特征尺寸提升计算性能面临巨大的挑战。另一方面，高性能电子芯片的先进制程工艺设备，我国尚未实现完全自主可控，面临“卡脖子”风险。与电子相比，光子作为玻色子具有独特的优势，如高传输速度、高并行性、高带宽和低功耗、低时延等。因而，以光学的技术手段去实现高性能信息处理与计算，是必然趋势。传统基于自由空间光学的计算方法无法实现小型化，光子集成被视为解决该问题的唯一技术手段。21世纪以来，光子芯片经历了从单元器件到规模化集成的飞速发展，在超高速通信、高性能计算、大容量光互连和高精度光学传感等领域展现出巨大的优势，学术界和工业界达成共识：光电集成芯片有望延续摩尔定律，利用光电集成芯片进行信息交互是突破电子计算机发展瓶颈的关键技术和有效途径，有望缓解甚至解决我国“芯片之痛”。
　　硅光芯片融合了先进的微电子加工工艺和光子学前沿理论，在硅基芯片上集成激光器、光波导、光调制器和光探测器等光子信息组件，以光子作为信息载体，实现信息的传递、交互与计算等。相较于传统电子技术，硅光技术在信息处理的速度和能效方面呈现显著的优势，为摩尔定律延续提供有力支撑。近年来，硅光信息技术在全球范围内受到了高度关注与重视，美国、欧盟等西方发达国家和地区纷纷将光电集成技术列入国家发展的战略性规划之中。早在2015年，美国宣布成立国家层面的集成光子制造研究所（AIM Photonics），由政府、学术界、企业界等124家单位构成，包含IBM、Intel等50家企业，麻省理工、斯坦福等20多家大学、33个学院和16个组织。欧盟也先后制定了信息与通信技术计划ICT27、ICT28和“地平线2020”，其核心内容就是推动光子集成产业发展。我国与国际同步在硅光技术领域完成了战略布局且持续投入，从国家层面的“十三五”到“十四五”规划，对集成电路、新一代人工智能技术均明确了发展目标与战略需求，科技部、中国科学院等科技国家队也先后部署相关的先导专项、重大科技项目，包括建设先进的光电芯片制造工艺平台、光电芯片的前瞻性探索，并完善光电芯片的产业生态链，以解决我国光电信息产业的无“芯”之痛，提升我国在光电产业中的话语权。
　　在海量数据处理和人工智能对算力需求爆发性增长的今天，硅光技术在现代信息技术中扮演着至关重要的角色，将为多领域带来颠覆性的技术革新。人工智能技术应用的关键是算力的提升，在高性能计算机架构中，采用与具体应用模式相匹配的加速器系统结构是提高计算能效比、降低功耗的有效途径。最典型的成功例子是通过流式计算应用与图形处理器芯片的匹配，实现数量级的能效提升。但面对诸如类脑计算、深度学习、智能感知等领域应用时，运用基于冯·诺依曼结构的电子计算机进行匹配加速明显效果不佳，而光学神经网络在这方面展示出了独特的优势。光矩阵运算具备时间和空间并行性、传播容量大等特性。光神经网络的深度学习算法可以直接映射，而不仅仅是简单地对神经网络进行模拟，通过结合光计算通路的无电容效应特性，基于光矩阵运算的神经网络计算机的能效可以得到极大提升，从而突破功耗墙的束缚。在信息传输和交互方面，大数据时代的数据中心对超低延时、超高传输速率和更低能耗的信息交互需求不断增长，光电集成技术可在信息交互容量、器件体积、数据传输能效等方面实现数量级的优化。在卫星激光通信与深空探索中，光电集成芯片有望颠覆传统的通信终端，建立更快、更强、更稳的星地、星间太空高速路，加快“空天地一体化”的发展步伐。硅光技术通过光传电控的技术思路，为新型光电混合超级计算带来了巨大的想象空间，为实现超高算力开辟了新的路径。智能驾驶时代的到来对汽车感知能力提出了苛刻的需求，而硅光技术有望对汽车激光雷达系统产生变革，建立起更安全、高效的智能驾驶系统。此外，硅光技术在高精度、高灵敏度的生物传感、精准医疗诊断与健康监测等领域具有重大的应用潜力。
　　硅光技术在众多信息技术领域带来了颠覆性变革，但在其发展过程中也面临多个挑战。一方面，与电子芯片相比，光子芯片具有多材料特征，通常需要多种材料集成以充分提升光子技术的潜力，因此，异质材料及各功能器件间的集成和兼容成为急需解决的关键科学问题，同时需要解决异质集成引起的光电子芯片各部件间的光电热力学耦合问题。另一方面，硅光芯片尚难以解决光子存储问题，因此，对光子信息处理芯片与存储芯片之间的交互具有更高的要求。如何建立硅光芯片和存储器件之间的高速通信接口成为关键，光器件的设计、光电融合架构均迎来挑战。信息处理系统性能的提高，需要处理器与处理器之间的信息交互速度与处理器的计算速度相匹配，方可完全释放处理器的计算性能。虽然硅光技术面临着重重挑战，但依然被视为21世纪颠覆性学科方向之一，随着全世界科技人员在硅光芯片、硅光子微系统领域的持续投入，并取得系列理论突破及应用模型的论证，硅光技术已经逐步与电子技术相结合，推动了光电子微系统的大量应用和相关产业升级。
　　当前日益激烈的全球竞争让我们更加意识到：科学技术作为第一生产力，核心技术的自主可控直接关系到国家安全，高端芯片大量依赖于进口的局面存在很大的隐患。硅光技术作为独立于电子集成技术的新兴技术，处于世界科技前沿，因其具有很强的前瞻性和实用价值，成为世界各国竞相争夺的科技战略高地。硅光芯片无需最先进的半导体制程工艺设备，摆脱了对高精度制程设备的依赖，高技术壁垒尚未形成，欧美也未在此领域形成绝对的竞争优势，对我国形成不了“卡脖子”压制。
　　核心技术靠化缘是要不来的，必须靠自力更生。面向世界科技前沿和国家重大战略需求，我国在光电集成领域进行了前瞻性部署和持续投入，中国科学院等一大批科研单位与高校纷纷主动担责，相继组建光电集成芯片研究团队，旨在发挥有组织科研的优势，加快原始创新和关键技术攻关，在基础单元器件方面积累了丰富的经验与技术，培养了一批相关青年科技人才，构建了较好的“产学研一体化”技术发展生态，为实现“未来光电集成芯片”的高水平科技自立自强贡献力量。
　　（作者系中国科学院上海光机所青年领军研究员）

（责编：赵珊）