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【技術(shù)大院導(dǎo)讀】當(dāng)下科技競爭日趨激烈，芯片技術(shù)更是日新月異。早在上世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開始為傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個追逐的目標(biāo)。
01、背景
半個世紀(jì)以來，微電子技術(shù)大致遵循著“摩爾定律”快速發(fā)展，人們對信息傳輸和處理的要求越來越高。隨著信息技術(shù)的不斷拓寬和深入，芯片的制成工藝已減小到?10 nm?以下，但由此帶來的串?dāng)_、發(fā)熱和高功耗問題成為微電子技術(shù)難以解決的瓶頸。
后摩爾時代的微電子芯片制程技術(shù)路線可分為：
繼續(xù)優(yōu)化互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的“延續(xù)摩爾”（moreMoore）路線
利用先進(jìn)封裝技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝的“擴(kuò)展摩爾”（more than Moore）路線
通過新材料新器件實現(xiàn)的“超越摩爾”（beyondCMOS）路線
相比于“延續(xù)摩爾”路線對于半導(dǎo)體先進(jìn)設(shè)備的依賴和巨大投入，通過光電異質(zhì)集成技術(shù)實現(xiàn)芯片間及芯片內(nèi)光互聯(lián)可有效解決微電子芯片目前金屬互聯(lián)的帶寬、功耗和延時等問題，是對現(xiàn)有微電子芯片的重要拓展。同時，通過光電異質(zhì)集成多種材料也可制作新一代信息器件（如光量子集成芯片），是信息產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)擴(kuò)展摩爾和超越摩爾技術(shù)路線的重要領(lǐng)域。
硅基光電子集成技術(shù)（簡稱“硅光技術(shù)”），通過傳統(tǒng)微電子?CMOS?工藝實現(xiàn)光電子器件和微電子器件的單片集成，是研究和開發(fā)以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術(shù)。
硅基光電子集成芯片概念圖
上圖：硅基光電子集成芯片的概念圖，該芯片由光源、調(diào)制器、光波導(dǎo)、探測器及電路芯片構(gòu)成，由激光器產(chǎn)生光信號并通過調(diào)制器和探測器實現(xiàn)高速電信號與光信號的收發(fā)。
目前，硅光技術(shù)主要采用基于?SOI（絕緣襯底上硅）襯底的制造平臺，已能實現(xiàn)探測器與調(diào)制器的單片集成。然而硅基光電子集成芯片的性能受限于硅材料本身的光電性能，仍存在無法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調(diào)制器等問題。因此，利用不同種材料發(fā)揮其各自光電特性優(yōu)勢的硅基光電異質(zhì)集成技術(shù)近年來發(fā)展迅速。
硅基光電異質(zhì)集成技術(shù)不僅擁有硅材料可大規(guī)模?CMOS?制造的特點，同時充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)異光電特性，可實現(xiàn)傳統(tǒng)硅光技術(shù)無法媲美的器件指標(biāo)，進(jìn)而實現(xiàn)真正意義上的硅基光電子單片集成系統(tǒng)。
02、光子芯片演變發(fā)展
20世紀(jì)60年代以來，人類在電子計算機(jī)領(lǐng)域取得了無與倫比的成就。但經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，計算機(jī)也遇到了速率和功耗兩大瓶頸，進(jìn)而衍生出阻礙電子計算機(jī)性能提升的3個技術(shù)壁壘：功耗墻、訪存墻與I/O墻。
早在1992年，中國工程院院士許居衍便預(yù)測，2014-2017年，人類將進(jìn)入硅技術(shù)生命曲線上的拐點，即將進(jìn)入“后摩爾時代”。現(xiàn)有馮諾依曼計算系統(tǒng)采用存儲和運算分離的架構(gòu)，存在“存儲墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴(yán)重制約系統(tǒng)算力和能效的提升。人工智能的發(fā)展已經(jīng)被算力不足，能效過低約束。
摩爾定律及AI算法算力的演進(jìn)發(fā)展
在馮·諾依曼架構(gòu)中，存儲器與處理器是兩個完全分離的單元，處理器根據(jù)指令從存儲器中讀取數(shù)據(jù)、完成運算，并存回存儲器。兩者之間數(shù)據(jù)交換通路窄以及由此引發(fā)的高能耗兩大難題，在存儲與運算之間筑起了一道“存儲墻”。
當(dāng)下的計算處理器如CPU，GPU或AI專用芯片等，均采用馮諾依曼架構(gòu)設(shè)計，80%的功耗發(fā)生在數(shù)據(jù)傳輸上，99%的時間消耗在存儲器書寫過程中，而真正用于計算的能耗和時間其實占比很低。
制約高性能計算發(fā)展的最大技術(shù)障礙是能耗，E級系統(tǒng)功耗預(yù)計有466.7MW，全年40.88億千瓦時的用電量幾乎相當(dāng)于三峽電站全年發(fā)電量的1/20。人工智能迅猛發(fā)展的當(dāng)下，人工智能算法對邏輯單元與存儲單元之間信息交互能力的需求相對于傳統(tǒng)任務(wù)更嚴(yán)苛。
AI計算以數(shù)據(jù)為主，大量數(shù)據(jù)搬運導(dǎo)致功耗居高不下。到2025年，全球數(shù)據(jù)中心將使用全球20%的電量。AlphaGo下棋打敗人類，但人類只用了20瓦的大腦能耗，而AlphaGo是2萬瓦。如果更多腦力勞動被機(jī)器取代，芯片散發(fā)的熱量會讓地球變得滾燙。
此外，處理器與內(nèi)存之間、處理器與處理器之間信息交互的速度嚴(yán)重滯后于處理器計算速度，訪存與I/O瓶頸導(dǎo)致處理器計算性能有時只能發(fā)揮出10%，這對計算發(fā)展形成了極大制約。受電子物理極限制約，傳統(tǒng)制程工藝的進(jìn)步不但無助于問題的解決，甚至?xí)夯陨蠁栴}。
電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，難以滿足高性能計算不斷增長的數(shù)據(jù)吞吐需求。用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，硅光芯片具有明顯的優(yōu)勢，可以承載更多的信息和傳輸更遠(yuǎn)的距離
光子彼此間的干擾少、提供相較于電子芯片高兩個數(shù)量級的計算密度與低兩個數(shù)量級的能耗
相較于量子芯片，光子芯片不需要改變二進(jìn)制的架構(gòu)，能夠延續(xù)當(dāng)前的計算機(jī)體系
光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運用電子芯片先進(jìn)的制造工藝及模塊化技術(shù)，結(jié)合光子和電子優(yōu)勢的硅光技術(shù)將是未來的主流形態(tài)
硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)。
硅光子技術(shù)其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。硅光子技術(shù)將硅光模塊中的光學(xué)器件與電子元件整合到一個獨立的微芯片中，使光信號處理與電信號的處理深度融合，最終實現(xiàn)真正意義上的“光互聯(lián)”。
硅基光電子技術(shù)擁有光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢，更適應(yīng)未來高速、復(fù)雜的光通信系統(tǒng)。同時可以滿足長距離數(shù)據(jù)傳輸以及微電子芯片間的短距離大容量數(shù)據(jù)傳輸，通過與微電子集成電路進(jìn)行單片集成，實現(xiàn)高速、低功耗的片上互連，突破微電子處理器在數(shù)據(jù)互連上的瓶頸。
其中，硅光芯片異軍突起，在芯片領(lǐng)域引領(lǐng)了一場變革，融合光子和電子優(yōu)勢，突破摩爾定律限制，滿足人工智能、云計算帶來的爆發(fā)性算力需求。預(yù)計未來三年，硅光芯片將承載大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸。
03、硅光芯片應(yīng)用趨勢
云計算與人工智能的大爆發(fā)讓光子傳輸?shù)膬?yōu)越性得以凸顯。在通信場景，由于大型分布式計算、大數(shù)據(jù)分析、云原生應(yīng)用讓數(shù)據(jù)中心內(nèi)的數(shù)據(jù)通信密度大幅提升，數(shù)據(jù)移動成為性能瓶頸。傳統(tǒng)光模塊成本過高，難以大規(guī)模應(yīng)用，硅光芯片能夠在低成本的前提下有效提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)集群之間、服務(wù)器之間、乃至于芯片之間的通信效率。在計算場景，據(jù)OpenAI統(tǒng)計，自2012年，每3.4個月人工智能的算力需求就翻倍，摩爾定律帶來的算力增長已無法完全滿足需求，硅光芯片作為解決方案的價值得到廣泛的期待。
數(shù)據(jù)中心是光通信產(chǎn)業(yè)的重要市場，是承載數(shù)字計算力、各行業(yè)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障設(shè)施，也是促進(jìn)各行各業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵動力。對比普通光模塊，硅光模塊具有低功耗、高集成和高速率等優(yōu)勢，對于需要大量使用光模塊的數(shù)據(jù)中心而言，硅光模塊最顯著的優(yōu)勢就是低成本。
如果硅光芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得以廣泛部署，那么以硅光子為核心的光計算將有可能帶動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步，進(jìn)而影響數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
尤其需要注意的是，光通信與光計算相輔相成，光通信中的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)會在光計算中得到應(yīng)用，光計算要求的低損耗、高密度光子集成技術(shù)也會促進(jìn)光通信發(fā)展。兩者的結(jié)合最終會讓數(shù)據(jù)計算和傳輸都在光域完成。
“大規(guī)模光子集成芯片”先導(dǎo)專項實施路線圖
04、我國硅光技術(shù)現(xiàn)狀
近年來，在“863?計劃”“973?計劃”和國家自然科學(xué)基金等支持下，我國也加大了硅基異質(zhì)集成方向的研究力度，在硅基關(guān)鍵光電子集成器件等方面取得了一系列重要成果，調(diào)制、探測、復(fù)用與解復(fù)用等分立器件已經(jīng)研制成功，異質(zhì)集成襯底、光源、高速光電調(diào)制器等方向取得了一系列重要進(jìn)展。
學(xué)術(shù)研究方面：
片上直接生長技術(shù)路線。中國科學(xué)院物理研究所通過硅圖形化襯底上的同質(zhì)加異質(zhì)外延生長有效解決了硅上異質(zhì)外延生長Ⅲ-Ⅴ族材料的難題，實現(xiàn)了高質(zhì)量的硅基片上光源
片上鍵合異質(zhì)集成技術(shù)路線。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所通過離子注入剝離技術(shù)研發(fā)出多種材料硅基異質(zhì)集成襯底，包括?SiCOI、LNOI、Ⅲ-ⅤOI，為多種材料硅基光電異質(zhì)集成提供了材料平臺；北京大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等單位通過導(dǎo)電透明電極方案開發(fā)出?mW?量級硅基激光器
片間混合集成技術(shù)路線。上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、國家光電子創(chuàng)新中心開發(fā)出窄線寬可調(diào)激光器
新型材料硅基光電異質(zhì)集成領(lǐng)域。中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等單位通過利用硅基薄膜鈮酸鋰開發(fā)出一系列高性能光電調(diào)制器、偏振控制器等器件；北京大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)等單位利用稀土元素?fù)诫s的方法進(jìn)行硅基發(fā)光的嘗試；中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、廈門大學(xué)利用硅基異質(zhì)生長鍺硅材料進(jìn)行了光源器件的嘗試；浙江大學(xué)在硅基硫系化合物、二維材料集成光電領(lǐng)域取得了一系列器件成果，將硅基光電器件延伸到中紅外波段
產(chǎn)業(yè)方面：
國內(nèi)光模塊公司大多還采用傳統(tǒng)的透鏡封裝方案，目前尚未有公司在量產(chǎn)產(chǎn)品上使用異質(zhì)集成解決方案。相比國外各大公司、代工廠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，我國在硅基異質(zhì)集成方面產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢，尚未形成一定規(guī)模的公司基于異質(zhì)集成技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品并批量出貨。
異質(zhì)集成材料。濟(jì)南晶正公司制造的硅基?LiNbO3?材料一枝獨秀，是目前國內(nèi)外幾乎所有薄膜?LiNbO3?調(diào)制器的材料供應(yīng)商
異質(zhì)集成材料器件。有一批從學(xué)校和科研院所孵化的創(chuàng)業(yè)公司浮現(xiàn)，如制作薄膜?LiNbO3?調(diào)制器的江蘇鈮奧光電公司、生產(chǎn)硅基異質(zhì)外延材料和光源的東莞思異半導(dǎo)體公司等
異質(zhì)集成模塊。蘇州易銳光電公司通過片間混合集成方式實現(xiàn)了密波?10?通道?100 Gbps?模塊的小批量出貨；青島海信寬帶公司利用鍵合集成技術(shù)做出過產(chǎn)品開發(fā)嘗試，但目前尚無產(chǎn)品問世
硅光芯片制成平臺：
國家層面加大投入，與國外先進(jìn)的硅光科研平臺，如比利時微電子研究中心（IMEC）、新加坡科學(xué)技術(shù)研究院微電子所（IME）等工藝線接軌。重慶聯(lián)合微電子中心、中國科學(xué)院微電子研究所、上海微技術(shù)工業(yè)研究院等單位已建成了各具特色的硅光工藝線
中國科學(xué)院微電子研究所、重慶聯(lián)合微電子中心還開發(fā)了用于設(shè)計的光電仿真軟件，從軟件設(shè)計端為未來做好布局
相比國外，我國目前國內(nèi)光模塊廠商仍通過海外代工廠進(jìn)行硅光芯片的流片。在異質(zhì)集成方面，重慶聯(lián)合微電子中心已對外開放?SiN?流片；而對于光源的異質(zhì)集成方案，目前國內(nèi)尚無廠家開放服務(wù)
05、展望
硅光技術(shù)的成熟還需要解決一系列問題：
首先，硅光芯片的設(shè)計、封裝等環(huán)節(jié)尚未標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；?，其產(chǎn)能、成本、良率優(yōu)勢還未顯現(xiàn)
其次，光計算的精度仍低于電子芯片，集成度也需要進(jìn)一步提高
硅基光電子技術(shù)具有集成度高的優(yōu)勢。但同時，高集成度對芯片的封裝技術(shù)也提出了更高的要求。硅基光電子芯片的封裝對精度要求高、技術(shù)難度大，現(xiàn)階段硅基光電子芯片的封裝成本甚至占到了硅基光電子模塊總成本的 10%左右。開發(fā)具有低成本、高可靠性的硅基光電子芯片封裝技術(shù)是硅基光電子大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)之一。
5G時代，對芯片傳輸速率和穩(wěn)定性要求更高，使得密集組網(wǎng)對硅光芯片的需求大增。在消費電子領(lǐng)域，智能傳感、移動終端等產(chǎn)品均可利用硅光技術(shù)在有限的空間集成更多的器件；在量子通信領(lǐng)域，由于硅光技術(shù)保密性強、集成度高、適合復(fù)雜光路控制等優(yōu)勢，有望成為量子通信的重要技術(shù)方案。
可以預(yù)見，硅光芯片用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，可承載更多信息和傳輸更遠(yuǎn)距離，具備高計算密度與低能耗的優(yōu)勢。隨著云計算與人工智能的大爆發(fā)，硅光芯片迎來技術(shù)快速迭代與產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展。硅光芯片將承載絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的高速信息傳輸。
當(dāng)前，硅基半導(dǎo)體已經(jīng)推進(jìn)到5nm和3nm，IBM今年也宣布了突破2nm的「PPT 工藝」。
光子芯片是用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，可以承載更多的信息和傳輸更遠(yuǎn)的距離。光電融合是未來芯片的發(fā)展趨勢，硅光子和硅電子芯片取長補短，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，促使算力的持續(xù)提升。 未來三年，硅光芯片將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸；未來五到十年，以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計算將逐步取代電子芯片的部分計算場景。
