近几十年以来，微电子技术与电子芯片产业遵循着摩尔定律不断发展，随着传统制程工艺逼近极限，电子芯片在进一步提升计算速度和降低功耗方面的技术突破，面临难以解决的瓶颈。在后摩尔时代，光芯片这一颠覆性技术被视为破局的关键。


光芯片，难觅用武之地？

实际上，光芯片很早就有，已经很成熟，比如2000年前后的海底光缆，光通讯两端的收发模块都是光子芯片，甚至在上课或开会时用的激光笔，里面也有激光器芯片，也是一种光子芯片。

但这些是不可编程的光学线性计算单元，所以无法运用于计算领域。要想通过光来提升算力，具有实用价值的计算单元就必须具备可编程性。

而针对光计算的研究也很早就开始了，始于20世纪60年代，但受到当时应用范围有限以及电子计算技术快速发展的影响，光计算处理器未能成功迈向商用。

直到最近10年，这种光计算芯片才逐渐取得突破性进展。

尤其是在当前时代，AI应用正推动对算力的需求，光芯片作为重要的潜在颠覆性技术路径，光计算芯片近年来又重新受到广泛关注。

光芯片的核心是用波导来代替电芯片的铜导线，来做芯片和板卡上的信号传输，其实就是换了一种介质。当光在波导里面传输的时候，波导和波导之间出现光信号干涉，用这个物理过程来模拟线性计算这一类的计算过程，即通过光在传播和相互作用之中的信息变化来进行计算。

与最先进的电子神经网络架构及数字电子系统相比，光子计算架构在速度、带宽和能效上优势突出。因此，光子计算能够有效突破传统电子器件的性能瓶颈，满足高速、低功耗通信和计算的需求。

需要指出的是，光子计算的发展目标不是要取代传统计算机，而是要辅助已有计算技术在基础物理研究、非线性规划、机器学习加速和智能信号处理等应用场景更高效地实现低延迟、大带宽和低能耗。

硅光计算芯片通过在单个芯片上集成多种光子器件实现了更高的集成度，还能兼容现有半导体制造工艺，降低成本，解决后摩尔时代AI硬件的性能需求，突破冯·诺依曼架构的速度和功耗瓶颈。

综合来看，光芯片的优势可以总结为：速度快/低延迟、低能耗、擅长AI矩阵计算等。

速度快/低延迟：光计算芯片最显著的优势是速度快、延迟低，在芯片尺寸的厘米尺度上，这个延迟时间是纳秒级，且这个延迟与矩阵的尺寸几乎无关，在尺寸较大的情况下，光子矩阵计算的延迟优势非常明显。

低能耗：镜片折射本身是不需要能量的，是一个被动过程。在实际应用中，由于要对计算系统编程，其中光信号的产生和接收是需要耗能的。在光学器件和其控制电路被较好地优化前提下，基于相对传统制程的光子计算的能效比，可媲美甚至超越先进制程的数字芯片。

擅长矩阵运算：光波的频率、波长、偏振态和相位等信息可以代表不同数据，且光路在交叉传输时互不干扰，比如两束手电筒的光束交叉时，会穿过对方光束形成“X”型，并不会互相干扰。这些特性使光子更擅长做矩阵计算，而AI大模型90%的计算任务都是矩阵计算。

因此，光计算芯片在AI时代迎来新的用武之地。


中国科研机构的最新突破

近年来,中国科研人员在光芯片研发领域不断取得新的重大突破,让我国的光芯片技术居于国际前列,为产业化发展奠定了坚实基础。

2021年5月,中国科学技术大学光电国家实验室成功研制出22纳米硅基光电子集成芯片。该芯片集成度之高达56个激光器和240个调制器,在国际上首次实现如此规模的光电集成。硅基光电子集成电路因其与硅电子集成电路制程相容而具有制备工艺简单和成本低廉的优点,是光电子集成电路发展的主流路径。该芯片的问世,标志着我国在光电子集成电路的研发水平已达到国际领先,打破了国外长期垄断的局面。

2022年8月,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所则研制出了国内首款高性能矽基光电集成芯片。该芯片在集成度和功能上都达到国际同类产品的最高水平,不仅实现了高性能光电集成电路关键器件的单片集成,还首次在光芯片上集成实现了可编程的量子逻辑门电路和支持多粒子量子态编码的新型光子集成源,为实现可扩展的光量子计算机提供了坚实基础。这些突破令人振奋,意味着我国量子计算的发展不再完全依赖国外技术。

2月,华中科技大学科研团队在量子操控领域也取得突破。他们成功实现高效率级联受控相位旋转门,实现了基于叠加量子态操作的新型算法模型,是光量子计算机算力大幅提升的基石性突破。该成果有望将量子计算机的算力拓展10个量级之多,为打造真正实用的通用量子计算机迈出关键一步。可以说,这是对量子计算理论和技术实现方向影响深远的基础研究成果。

由此可见,近几年间中国科学家在光芯片研发上连续取得重大突破,集成度、性能和功能性方面均达到了世界一流水准,令人对我国光芯片产业的发展充满信心。


光子芯片未来算力突破口的钥匙

随着人工智能(AI)时代的到来,算力需求正以前所未有的速度增长。传统的电子芯片面临着性能瓶颈,无法满足AI系统对极高运算能力的需求。而光子芯片(PhotonicChip)凭借其光速传输和低功耗等独特优势,被视为突破算力瓶颈的关键技术之一,成为全球科技竞争的新热点。

人工智能技术的飞速发展离不开算力的大幅提升。以ChatGPT为例,这款大型语言模型需要数万亿次参数相乘累加的运算,才能实现其对话、创作、编程等惊人能力。而这只是冰山一角,未来的人工智能系统将需要更高的算力支撑。可以预见,在AI时代,算力将会如同工业时代的电力一般,成为决定生产力水平和技术进步速度的核心驱动力。

然而,传统的电子芯片正面临严峻的物理极限挑战。国际半导体技术路线图(ITRS)显示,集成电路已接近理论极限,未来难以再有大幅度的时钟频率和功率提升。换句话说,电子芯片将无法满足AI系统对极高算力的无穷饥渴。这已成为制约AI发展的重要瓶颈之一。

正当科技界为算力瓶颈而发愁之际,光子芯片(PhotonicChip)这一突破性技术应运而生,为算力问题带来了全新的解决方案。与传统电子芯片依赖电子流动不同,光子芯片利用光子(光的量子)来传输和处理信息。由于光子具有质量为零、传播速度极快等独特性质,光子芯片在多个关键指标上都展现出了无与伦比的优势。

综合这些优势,业内普遍预计,采用光子芯片可将算力提升1000倍乃至更高。对于AI等"算力饥渴"的应用领域来说,光子芯片无疑将成为突破瓶颈的金钥匙。