北京日报客户端 | 记者 孙奇茹
计算速度比电子芯片快约1000倍，功耗却更低——光子芯片，成为当下各国争相布局的前沿产业。随着芯片技术升级迭代，光子芯片有望成为新一代信息领域的底层技术支撑，正催生一大批新应用、新产业，拥有巨大的市场前景。记者从中关村前沿科技企业中科鑫通获悉，国内首条“多材料、跨尺寸”的光子芯片生产线预计将于2023年在京建成，填补我国在光子芯片晶圆代工领域的空白。
芯片产业向“光”而行
通俗地说，在传统的电子芯片中，数据传输的载体是电子，而在光芯片中，数据传输的载体变成了光子。相较于电子芯片，光子芯片具有高速并行、低功耗的优势，其运算速度及传输速率是电子芯片的1000倍，而功耗仅为电子芯片的九万分之一。
1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出摩尔定律，预测每隔18到24个月，芯片的晶体管密度就会增加一倍。摩尔定律此后不仅成为计算机处理器的制造准则，某种程度上也被看作科技行业发展的预言。然而，以硅为基础的电子芯片发展了几十年后，承载能力已经逼近物理理论的极限。光子芯片的出现，被看作突破摩尔定律的重要途径之一。
一位芯片行业资深从业者介绍，当电子通过晶体管等传统集成电路元件时，会遇到阻力并产生热量。随着设计者不断将更多元件添加到芯片之中，产生的热量自然会升高。电子这一特性甚至成为了微型芯片性能提升的障碍，同时也是计算机能耗高的主要原因。相较之下，光子芯片不存在电阻问题，因此其产生的热量更少、能耗更低、计算速度也更快。
全球权威IT咨询公司Gartner预测，到2025年全球光芯片市场规模有望达561亿美元（折合人民币约4041.16亿元）。中国工程院院士、清华大学教授罗毅此前在接受媒体采访时说，我国光电子芯片研究正和国际先进水平“并跑”。
值得注意的是，在制造工艺上，光子芯片对结构的要求不像电子芯片那样严苛。“光子芯片不会像电子芯片那样必须使用极紫外光刻机（EUV）等极高端的光刻机，使用我国已经相对成熟的原材料和设备就能生产。”有二十余年芯片从业经验的中科鑫通微电子技术（北京）有限公司总裁隋军说。
多材料生产线有望填补空白
正因为光子芯片的诸多优势，芯片由“电”到“光”的转换，被视为国产芯片实现突破的重要技术路线之一。北京市第十三次党代会报告中提到，“围绕光电子、生命科学、低碳技术等领域前瞻布局未来产业”。
在中科鑫通展厅，记者见到了不同大小的光子芯片晶圆。“加工后的晶圆经过切割等一系列工序后，就变成一颗颗芯片。”隋军说，与用来制作电子芯片的硅晶圆不同，光子芯片晶圆的衬底虽然也是硅，但是在衬底上还覆盖着一层氮化硅或薄膜铌酸锂等特殊光电材料。
在创办中科鑫通前，隋军已深刻体会到国内企业在集成电路方面仍处于补短板的阶段。“在电子芯片领域，即便用同样的设备和材料，不同芯片代工厂生产出的芯片性能指标却大不相同，为什么？壁垒就在于工艺。”他说，目前的光子芯片产业发展中依然没有摆脱在设计和应用领域规模较大，而在设备、制造、封测等基础领域实力弱小的局面。
至今，我国尚没有一家专业的光子芯片代工企业，国内光子芯片行业尚未形成成熟的设计、代工、封测产业链。隋军透露，中科鑫通目前正筹备建设国内首条“多材料、跨尺寸”光子芯片生产线，将于2023年建设完成，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。该生产线建成后，将填补我国在光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。
光子芯片应用未来可期
芯片除了应用于通信、供电、温度湿度感应，还能进行病毒检测。一个月前，在中关村前沿大赛集成电路领域决赛的舞台上，隋军在现场展示的生物光子芯片项目打开了不少人对芯片的想象空间。在光子芯片光波导上涂敷对病毒敏感的试剂，就能分析出病毒生物分子的类型以及含量。
生物检测只是光子芯片的诸多应用场景之一。近年来，光子芯片的应用场景早已不局限于通信领域，广义上的光子芯片在工业、消费电子、汽车、国防等领域均有非常广泛的应用。例如在人工智能领域，光子芯片可应用于自动驾驶、语音识别、图像识别、医疗诊断、虚拟现实等。此外，现在的云计算和数据中心，已经大量采用了基于光子芯片的光收发模块，随着数据中心对于算力的需求与日俱增，光子芯片也有望发挥更大的作用。
“未来两三年，我们将充分利用已有科研成果，在诸如病毒快速检测、激光雷达、量子计算机、大容量数据通信等领域提供切实可靠的国产核心芯片与方案支撑，加速国内量子信息、人工智能以及6G等前沿领域的实用化与规模化发展。”隋军说。
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