本文來自微信公眾號“維科網(wǎng)光通訊”，【作者】Evelyn。
繼上月末國內(nèi)首條光子芯片中試線在無錫市濱湖區(qū)正式啟用之后，光芯片領(lǐng)域再傳一重磅利好消息——九峰山實驗室實現(xiàn)異質(zhì)集成“芯片出光”！
2024年9月，該實驗室成功將激光光源集成至硅基芯片內(nèi)部，這標志著國內(nèi)在該項技術(shù)上取得了首次成功。
▲九峰山實驗室8寸硅基片上光源芯片晶圓
這一技術(shù)被業(yè)界譽為“芯片出光”，它利用傳輸性能更優(yōu)的光信號替代電信號，旨在解決當(dāng)前芯片間電信號傳輸已逼近物理極限的問題，被視為顛覆性技術(shù)。該技術(shù)對數(shù)據(jù)中心、算力中心、CPU/GPU芯片、AI芯片等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生深遠影響，推動其革新發(fā)展。
隨著AI和半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)升溫，光芯片已成為熱門焦點。
在此前不久的Hotchips芯片盛會上，光芯片互聯(lián)技術(shù)亦備受矚目，“領(lǐng)頭羊”中不乏特斯拉、博通、openAI和英特爾等大廠的身影。這些廠商的積極布局，讓不少人嗅到了光芯片互聯(lián)爆發(fā)前夕的味道。但其實在不少人看來，這還為時過早。
01 突破光芯片異質(zhì)集成“無人區(qū)”
當(dāng)前，硅光全集成平臺的開發(fā)面臨的最大挑戰(zhàn)在于高效發(fā)光的硅基片上光源的研發(fā)與集成。
九峰山實驗室硅光工藝團隊攜手合作伙伴，經(jīng)過近十年的不懈努力，成功在8寸硅光晶圓上異質(zhì)鍵合III-V族激光器材料外延晶粒，并采用CMOS兼容的片上器件制造工藝，解決了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與生長、晶圓鍵合良率低以及異質(zhì)集成晶圓片上圖形化與刻蝕控制等難題。最終，他們成功點亮了片內(nèi)激光，實現(xiàn)了“芯片出光”。
相較于傳統(tǒng)的分立封裝外置光源和FC微組裝光源，九峰山實驗室的片上光源技術(shù)顯著提升了硅光芯片的耦合效率，縮短了對準調(diào)節(jié)時間，提高了對準精度，并突破了制作成本高、尺寸大、難以大規(guī)模集成等量產(chǎn)瓶頸。
隨著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及互聯(lián)場景下對數(shù)據(jù)傳輸速度和容量的需求不斷提升，傳統(tǒng)的電互連技術(shù)已難以滿足需求。光傳輸以其速度快、損耗小、延遲少的優(yōu)勢，成為推動下一代信息技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)。
而光芯片作為光通信產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)，擁有極速計算傳輸、低能耗、快速響應(yīng)、高并行性等顯著優(yōu)勢。目前，長光華芯、亨通光電、光迅科技、源杰科技、賽勒光電、鈮奧光電、光本位科技等公司在該領(lǐng)域嶄露頭角。
硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋硅光設(shè)計、SOI硅片基板、外延片供應(yīng)、硅光流片廠、光模塊廠商、通信設(shè)備廠商以及終端應(yīng)用廠商等多個環(huán)節(jié)。
光芯片可進一步加工成光電子器件，再集成到光通信設(shè)備的收發(fā)模塊中，廣泛應(yīng)用于數(shù)通市場和電信市場。在數(shù)通市場，它應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）場景下的相關(guān)光模塊。在電信市場，則應(yīng)用于接入網(wǎng)（光纖接入、無線接入）和傳輸網(wǎng)場景下的相關(guān)光模塊。
隨著人工智能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，光計算芯片也迎來了快速發(fā)展期。全球光芯片市場規(guī)模正快速增長，預(yù)計到2027年將達到56億美元。
02 國內(nèi)光芯片領(lǐng)域突破進展頻頻
今年以來，多個動態(tài)捷報頻傳，預(yù)示著國內(nèi)光芯片產(chǎn)業(yè)的新一輪自主化浪潮即將到來：
- 今年年初，清華團隊就發(fā)布了AI光芯片“太極-Ⅱ”和“太極-I”，彰顯了我國高校在前沿科技領(lǐng)域的強大研發(fā)實力。
- 與此同時，我國中科院也不甘示弱，成功開發(fā)出可批量制造的新型“光學(xué)硅”芯片，為光芯片的大規(guī)模應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
- 今年7月，中國科學(xué)院宣布成功開發(fā)出一種新型光學(xué)卷積處理器。該處理器采用了創(chuàng)新的波分復(fù)用和光多模干涉技術(shù)，實現(xiàn)了高達12.74 T MACs/s/mm²的算力密度。這一成果使得新研制的光子芯片在運行速度上，相較于英偉達的A100芯片，有1.5-10倍的提升。
- 同月，國內(nèi)光計算芯片行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)——光本位科技，也宣布其首款光計算芯片成功完成流片，其算力密度和精度均達到了商業(yè)應(yīng)用的標準，峰值算力超過了1000Tops。這不僅展示了中國在光子芯片技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，也對傳統(tǒng)電子芯片的優(yōu)勢地位構(gòu)成了挑戰(zhàn)。
- 9月25日，在2024集成電路（無錫）創(chuàng)新發(fā)展大會上，由上海交通大學(xué)無錫光子芯片研究院建設(shè)的國內(nèi)首條光子芯片中試線在無錫市濱湖區(qū)正式啟用。據(jù)悉，該中試平臺總面積17000平方米，集科研、生產(chǎn)、服務(wù)于一體，配備了超100臺國際頂級CMOS工藝設(shè)備，覆蓋了薄膜鈮酸鋰光子芯片從光刻、薄膜沉積、刻蝕、濕法、切割、量測到封裝的全閉環(huán)工藝。平臺還兼顧硅、氮化硅等其他材料體系，搭建了N個特色工藝平臺，形成“1+N”先進光子器件創(chuàng)新平臺。
據(jù)介紹，該中試線正式啟用后，預(yù)計年產(chǎn)能達10000片晶圓，2025年第一季度將正式發(fā)布PDK，提供對外流片服務(wù)。下階段，上海交通大學(xué)無錫光子芯片研究院將基于6/8寸薄膜鈮酸鋰晶圓，以薄膜鈮酸鋰調(diào)制器為核心，攻克薄膜鈮酸鋰光子芯片產(chǎn)業(yè)化面臨的工程技術(shù)難題，開發(fā)晶圓級芯片量產(chǎn)工藝，實現(xiàn)薄膜鈮酸鋰光子芯片規(guī)模量產(chǎn)，滿足人工智能發(fā)展等大算力需求。
有理由相信，國產(chǎn)光芯片未來定能在全球市場中占據(jù)一席之地，為中國乃至世界的科技進步貢獻更大的力量。
