探寻后摩尔时代 | 以光代电：深度硬交叉考验软实力

发布于：2021/8/3 13:42:12 | 1366 次阅读

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过去的半个多世纪，半导体行业一直遵循摩尔定律的轨迹高速发展，如今单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求，半导体行业也逐步进入了“后摩尔时代”。后摩尔时代的来临，给中国集成电路产业发展带来新的发展机会，《中国电子报》推出“探寻后摩尔时代集成电路的颠覆性技术”系列报道，对集成电路潜在颠覆性技术进行梳理，探讨每一项技术的发展现状、产业难题、未来前景。敬请关注。
集成电路发展至今，电子一直承担着在集成芯片中传输信息的功能。随着集成电路密度越来越接近物理极限，芯片越来越难以单纯靠升级制程实现性能提升。将芯片内传输信息的介质由电子转换为更高带宽、更低功耗的光子被认为是后摩尔时代实现芯片性能升级的最新渠道。
全光芯片尚远光电融合是必经之路
“光子芯片”是指由光路感知、传输和处理信息的芯片。目前，纯光子器件已能作为独立的功能模块使用，但是，由于光子本身难以灵活控制光路开关，也不能作为类似微电子器件的存储单元，纯光子器件自身难以实现完整的信息处理功能，依然需借助电子器件实现。因此，完美意义上的纯“光子芯片”仍处于概念阶段，尚未形成可实用的系统。严格意义上讲，当前的“光子芯片”应该是指集成了光子器件或光子功能单元的光电融合芯片。
华中科技大学光学与电子信息学院微电子工程系研究员谭旻告诉《中国电子报》记者，目前，全球在光子芯片方面的研究工作主要集中在光子器件的制备、器件之间的连接两个方面，正处于从光子器件物理制备到光和电融合回路设计的关键转折性阶段。他认为，如果要进行大规模实用化，光和电的回路级融合是必经之路：“全光芯片在短期内无法实现，光电融合芯片很有可能是光子芯片的终极形式。”
通信业率先应用尝试多场景拓展
光电子芯片当前主要用于通信领域。在使用光纤的远程通信中，光电子芯片在光纤两端起到发射和接收的作用，与日常生活比较接近的，便是在光猫中的应用。光猫中的光电子芯片可用于光电信息转换。在短距离通信中，光电子芯片主要应用在数据中心不同服务器之间的相互连接和高性能计算中。由于光通信具有速度快、损耗低的优点，超级计算机、数据中心的服务器之间使用光纤做数据传输，服务器的板卡也使用光纤进行连接。这就意味着，在此类服务器中，存在光电子芯片进行光电信号转换。此外，部分集成电路中使用光层传输时钟信号，以同步集成电路中不同区块工作。
在光传感、激光雷达、生物传感、光计算、光量子、光电人工智能、光电神经网络等领域，国内外都有很多机构在做前沿研究，但仍处于实验室阶段。一旦实现技术突破，形成现实应用可能，将有可能成为填补电子芯片空白的颠覆性技术。
目前，英特尔已经能做到在CMOS芯片紧密集成的单一技术平台上，将多波长激光器、半导体光学放大器、全硅光电检测器以及微型环调制器集成到一起，目前已经实现集成光子器件模块芯片的量产应用。英特尔研究院副总裁、中国研究院院长宋继强向《中国电子报》记者表示，在电子芯片存在功能限制性的领域，光子芯片存在很大的替代优势。当处理器计算能力提升时，需要更多跨处理器甚至是跨服务器节点之间的数据交互。当数据交互体量提升，I/O交互将会成为瓶颈——尺寸上无法继续缩减，而功耗也无法降低。I/O计算将消耗大量的电能，但计算能力会大大降低。由此，英特尔把光看作替代铜的优秀互连介质，正在努力通过光器件与电器件紧密封装、制作收发器等方式，解决光电转化效率低、光器件体积大等问题，以期实现由光路替代金属电路。
提高硬件水平保障光电融合开发
研发光电融合芯片对于我国科研团队来说，是一块难啃的硬骨头。一是因为我国该领域技术人才缺乏，二是因为光电回路级融合处于国际前沿领域，缺乏可借鉴经验。用谭旻的话来说，我国在光电融合芯片研发领域面临“深度硬交叉，前沿无人区”局面。
要设计光电融合芯片，需要既能制备光子器件又能制备电子器件的复合型人才，还需要实现光电器件的整合。
从我国当前的学科设置来看，光学与电子学是两个分立的学科，研究内容、研究方法都有很大的区别。而作为光电融合领域的研发人员，显然对光、电任何一个领域都不能仅是浅尝辄止，这样便对人才提出了更高的要求。
此外，光电融合芯片在整个国际范围内都属于前沿领域，仅有个别研究机构从事该领域研究，缺少可供借鉴的成熟经验。基于上述原因，当前国内光电融合技术从设计软件到芯片制备都没有形成成熟的解决方案。
“芯片制备过程中可以使用的光子器件都是无法采购的，都只能自己做，建模都是我们自己做的。”2016年，谭旻回国后便在华中科技大学光电学院从事光电融合回路方面的研究。“前沿无人区”给研究团队带来了超越国际的机会，同时也要求团队具备自主制备器件、自主编写建模软件等能力，谭旻及团队基本是“白手起家”进行建设。
“从设计的角度，我们国家工程师的质量是非常好的，人数也非常多。光子集成电路发展的难点在于设备和工艺条件的局限性。”浙江大学微电子集成系统研究所所长储涛向《中国电子报》表示。我国硅光子集成芯片与国外起步时间接近，与国外的技术差距小，甚至在很多细分领域超过国外的发展水平。但在从设计向制造发展的过程中，便会遭受由于国内硬件设备缺乏而带来的“卡脖子”问题。在谈及光子芯片产业化问题时，储涛表现出了无奈：“国内大学能写很多论文，能做设计，但大学很难将其迭代研发成熟再形成产品，因为缺乏硬件条件。”
来自华中科技大学的谭旻同样提到了国内硬件基础差给团队研发带来的困难。制作新芯片需要新的制作工艺，而国内公司难以提供新工艺所需的硬件设备。由此，要拿到所设计芯片的实体样品，科研团队便需要将产品送到国外代工。“国内目前不具备光电全集成芯片的能力。国内厂商目前可以做独立的电子芯片，也可以做独立的光子芯片，但无法做光电融合全集成芯片。”谭旻表示。据了解，当前，国内仍缺乏能够生产光电全集成芯片的厂商，海外能够实现的机构包括德国创新高性能微电子所（IHP）、格罗方德半导体股份有限公司（Global Foundries）等。
由于国外公司根据新芯片制程流片需要耗费时间，再加上境外交涉带来的不便，从设计文件交出到拿到制作完成的芯片成品，甚至需要花费一年半的时间，这大大影响了光子芯片的研发进度。
产业化须全局统筹机制保障最重要
在我国硬件工艺存在卡口、专业人才紧缺的情况下，若想要赶上国际先进水平，实现光子芯片产业化生产，建立起一整套资源统筹机制是不可或缺的。
要解决国内工艺设备问题，或者可以先从已有工艺平台入手，提高工艺平台开放度、为研究机构解决基本模型制作问题。若要提升科技成果转化效率，或许可以仿照日本国家产业技术综合研究所、中国台湾“中研院”的运作模式，建立基础研究向产品转化的中继机构，辅助企业完成产品初级孵化。
储涛认为，如果光要代替电承担更多的功能，需要科研人员发挥更大的想象力，以光子芯片实现功能的方式可能将超过现有的惯性思维方式。现如今I/O逻辑计算已经成为计算的基本思维模式，而在未来，包括光子技术在内的信息处理系统，若是想成为颠覆性技术，可能需要年轻人跳出I/O架构的数字逻辑，建构起新的模拟信息处理逻辑。这样一来，或许光便能够摆脱依靠电子做计算的桎梏，从而取得更好的发展。
但就光子芯片对电子芯片的替代能力来看，储涛并不认为存在一种技术能够完全取代CMOS 技术。不论是光子集成技术，还是后摩尔时代其他具有颠覆性可能的技术，都不能起到整体颠覆的作用。“与电子芯片相比，光子芯片的确能够实现原先芯片无法实现的功能，但与电子芯片相比，光子芯片的应用还相对较窄。”
谭旻认为，要成为颠覆性技术具备两个条件：第一，颠覆性技术应该与既有的技术之间存在技术范式不同；第二，该技术能够满足刚性的需求。

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holle

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