中国首条光子芯片生产线正式量产

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㈠ 国内首条光子芯片生产线正式量产


最近,由中国科学院上海微系统与信息技术研究所和中国电子科技集团公司等单位联合研发的光子芯片生产线已经正式量产。这是中国在光子芯片领域研究和发展的重要里程碑!


光子芯片能满足通信、数据中心、激光雷达、微波光子、医疗检测等领域的市场需求,将填补我国在光量子芯片晶圆代工领域的空白,有望加速国产光子芯片替代的规模化进程。


㈡ 中国芯片产业走过艰难的发展历程


回首中国芯片产业,主要有四个阶段:


第一个阶段是1965-1978的自主研发阶段。


第二阶段是1978-1990的引进提高阶段。


第三阶段是1990-1999重点发展和建设阶段。


第四阶段是2000年-现在的高速发展时期。


经过几十年的发展,中国芯片产业主要负责产业链下游的封测环节,而处于产业链上游的设计、制造环节主要集中在韩国、日本、美国等其他国家或地区。 尽管华为海思自主研发设计的麒麟9000高端芯片,代表了世界最先进的芯片水平。但是,芯片的关键核心技术、关键设备和材料长期处于受制于人的局面。如EDA 工具、晶圆和光刻机等都被发达国家垄断进口。以致2018年美国决定制裁华为后,华为作为全球5G技术的领跑者,却因为台积电拒绝代工5G芯片,至今无法出货华为5G手机。


㈢ 深耕光子芯片技术突破, 寻求换道超车


1969年, 美国的贝尔实验室最早提出光子芯片概念。2018年,上海交通大学金贤敏团队成功研发出国内的首个光子计算芯片。华为在芯片供应渠道被切断之后,就展开了对于光量子芯片的研发,目前已经成功研发出了光子芯片设计软件,这也是全球最快的量子逻辑门软件,助力产业朝着规模化发展。华为在芯片领域的研发从来就没有放弃,华为主动入股微源光子及长光华芯。麒麟芯片预计将会在明年回归,硅基芯片和光子芯片的双管齐下。2019年5月27日,香港《南华早报》网站报道,中国科学院微电子研究所微电子设备与集成技术领域的专家殷华湘和他的团队已经研发出3纳米晶体管。


2020年7月,国家下达芯片动员令,要求在2025年实现国产芯片70%的自给率,且为此成立了“芯片大学”、巨资打造了“东方芯港”,且出台了大量的优惠政策。其中,就包括针对光子芯片和传统电子芯片两个技术路线同时进行突破。2021年2月,清华团队又曾发现了一种新的光源,可用于光子芯片的使用。2021年8月,中科院院士郭光灿带领着科研团队在光子芯片核心技术上成功地取得了重大突破。2022年,据《北大新闻网》介绍,王兴军教授团队最新Nature文章报道,在光子集成芯片和微系统方面取得重大突破,这也是世界上首例报道了有集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统。


中科院院士潘建伟在接受采访的时候讲到,随着光子芯片技术的成功突破,中国将摆脱过去芯片被卡脖子的困境,并在未来引领全球半导体产业的发展。


㈣ 光子芯片的性能远远优于传统的电子芯片


芯片与传统的电子芯片最大的不同,就在于它是以光来做载体,用光代替电,利用微纳加工工艺,在芯片上集成大量的光量子器件。相比电子芯片,这种芯片的集成度更高,精准度更强,也更加稳定,同时也具有更好的兼容性。


因为制作工艺的不同,光量子芯片不需要光刻机也能生产。这也意味着目前最先进的5纳米、3纳米芯片制程将不再是最顶尖的芯片技术,追求更小纳米的芯片会完全失去意义。电子芯片的极限是0.1纳米,也就是电子芯片制造设备光刻机的物理极限。


相较于电子芯片,光子芯片对结构的要求较低,一般是百纳米级,因此降低了对先进工艺的依赖。这就意味着,我国目前14纳米级的生产技术完全可以满足光子芯片的生产需求。光子芯片预示着有更大的应用空间。


在性能方面,光子芯片的计算速度较电子芯片快约1000倍。快速传输大量信息的能力说明,光学处理器非常适合处理驱动人工智能模型的大量计算。例如,人工智能光子芯片是一种光子计算架构与人工智能算法高度匹配的芯片设计,有潜力广泛应用于自动驾驶、安防监控、语音识别、图像识别、医疗诊断、游戏、虚拟现实、工业物联网、企业级服务器和数据中心等关键人工智能领域。


同时,光子芯片功耗比电子芯片更低。相同情况下,光子芯片的耗电量是电子芯片的1/100。2020年国内数据中心年耗电量为2045亿度,占全社会用电量的2.7%,而当年三峡电站的发电量为1118亿度。也就是说,一年数据储存消耗的电量接近于两个三峡电站的发电量。仅电费就占据了整个数据中心运行总成本的60%—70%。如果用光子芯片替代电子芯片,仅数据储存一个单项,一年可节省用电2000亿度!


综合以上的优势,使得光子芯片被认为是未来大容量数据传输、人工智能加速计算等领域最具前景的解决方案之一,也为国内芯片产业“换道超车”提供了很好的机遇。


从电子芯片升级到光子芯片,是中国芯片换道超车的重大战略机遇。


㈤ 芯片由电到光的转换,是我国实现赶超的战略机遇


在基础理论方面,中国与美国基本处于同一水平。美国科学家于1960年发明了世界上第一台红宝石激光器。1961年,中国科学院长春光机所就研制出了中国第一台红宝石激光器。


在技术方面,中外各有优势。比如,在光子集成技术研究方面,我国中科院西安光机所、中科院微电子所中科院半导体所、上海微系统所和上海交大、清华大学、浙江大学、华中科技大学等都进行了长期研究。


在销售市场方面,2021年全球售出1.15万亿颗芯片,销售额达到创纪录的5559亿美元,同比增长26%。中国仍然是全球最大的芯片消费市场,销售额同比增长27.1%,达到1925亿美元。光子芯片发展的决定力量是市场,只有旺盛的市场需求,才能为光子芯片带来巨大技术研发资金。而海量的投资,则是光子芯片技术发展的保障。


在产业链方面,中国拥有世界上最完善的产业链。一旦在光子芯片领域的商用市场被打开,中国企业势必会成为该领域的主要力量。近日,华为入股微源光子及长光华芯,格芯推出新硅光子技术,新思科推出全球首个开放式硅光子平台……一批国内外大厂加快对“光芯片”赛道的探索布局。


由此看来,中国完全有能力抓住从电子芯片升级到光子芯片的重大战略机遇,从而实现中国芯片的换道超车。历史将再一次印证比尔.盖茨曾经说过的那句经典名言: “打压只会加快中国的成长和超越。”


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