芯耀
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作者 | 方文三
電子微芯片是現(xiàn)代世界的核心，它們廣泛存在于我們的筆記本電腦、智能手機(jī)、汽車和家用電器中。多年來，制造商一直在努力提升芯片的功能性能和能效，從而增強(qiáng)了我們電子設(shè)備的性能。
然而，由于芯片制造成本和復(fù)雜性的增加，以及物理定律所設(shè)定的性能限制，這一趨勢正逐漸減弱。
與此同時，AI的快速發(fā)展也帶來了對更高計算能力的需求。光子計算利用光（光子）而非電（電子）來傳輸和處理信息，有望實現(xiàn)更高的速度、更大的帶寬和更高的效率。
擺脫傳統(tǒng)局限的光子芯片在AI時代下發(fā)光
在處理更為復(fù)雜的計算任務(wù)時，尤其是涉及超過5000億個參數(shù)的大型模型時，我們面臨重大挑戰(zhàn)——系統(tǒng)的性能越來越受到計算節(jié)點(diǎn)間通信的影響，而非計算本身。
傳統(tǒng)的電子輸入/輸出（I/O）解決方案難以滿足芯片間及跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸日益增長的需求。
隨著計算能力的提升，電子信號的局限性愈發(fā)明顯，導(dǎo)致功耗增加、熱管理問題，最終限制了系統(tǒng)性能。
電子芯片以硅為基礎(chǔ)，當(dāng)制程降至7納米以下時，便容易出現(xiàn)電涌和電子擊穿等問題，導(dǎo)致難以控制。
光芯片則提供了新的解決方法，不僅能夠克服功耗和訪存能力的瓶頸，還能催生許多前所未有的應(yīng)用場景。
光子芯片的出現(xiàn)，被視為一種革命性的解決方案，旨在通過光學(xué)而非電子方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心性能的大幅提升和能效的顯著優(yōu)化。
傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)在AI領(lǐng)域的局限性，以及數(shù)據(jù)中心和智能邊緣中高性能AI與ML應(yīng)用的需求，推動了對速度更快、可擴(kuò)展性更強(qiáng)的芯片的追求。
在數(shù)據(jù)中心，龐大的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、大型語言模型（LLM）以及深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DRL）已經(jīng)觸及了計算能力和內(nèi)存帶寬的極限。
在邊緣計算領(lǐng)域，高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備以及工業(yè)4.0基礎(chǔ)設(shè)施對芯片的需求日益復(fù)雜化，以實現(xiàn)在更低功耗下的快速實時推理。
利用光子芯片釋放效率與可擴(kuò)展性，基于光的光子芯片能夠為更高效、更可持續(xù)的GenAI、DRL和AGI工作負(fù)載提供互補(bǔ)且切實可行的解決方案。
光芯片的應(yīng)用場景獲得了極大的拓展
光子芯片簡單而言，是利用光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。
光子芯片在當(dāng)下時代備受追捧，主要得益于其兩方面的優(yōu)勢：
一是性能優(yōu)勢，包括高計算速度、低功耗、低時延；
其二則是制造優(yōu)勢，制程要求相對較低。
具體而言，由于光的傳播速度極快且具有高帶寬的特點(diǎn)，它能夠在更短時間內(nèi)傳輸更大規(guī)模的數(shù)據(jù)。
此外，光信號幾乎不產(chǎn)生電阻熱損耗，能效比傳統(tǒng)電信號高。
部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示，光子芯片的計算速度大概是電子芯片的三個數(shù)量級，約1000倍。
而光子芯片的功耗僅為電子芯片的百分之一，單位電子芯片和耗電量大約為300W，對應(yīng)的光子芯片的耗電量只有4W。
光芯片不僅能在計算領(lǐng)域大顯身手，主要應(yīng)用于光通信、數(shù)據(jù)中心、超高速互聯(lián)網(wǎng)、光子計算、量子計算和傳感器等領(lǐng)域，也在其他領(lǐng)域展現(xiàn)其應(yīng)用前景。
例如，抗干擾性能強(qiáng)的光子技術(shù)使得光子雷達(dá)的研發(fā)成為可能，自動駕駛、圖像識別、虛擬現(xiàn)實、數(shù)云平臺等領(lǐng)域，光芯片也已被大量采用。
在生命健康、超導(dǎo)材料以及國防裝備等方面，光芯片可實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和分析，將形成神經(jīng)光子學(xué)、免疫分析、高超音速武器等新的重大應(yīng)用場景。
在材料選擇方面，光芯片的材料選擇至關(guān)重要，不同于電芯片主要使用硅（Silicon），光芯片需要使用適合光傳輸和調(diào)制的材料。
光子技術(shù)構(gòu)成橫向擴(kuò)展架構(gòu)的核心
光纖鏈路的運(yùn)用，促進(jìn)了跨越機(jī)架與行的交換機(jī)之間的連接，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展。
盡管橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)已普遍采用光學(xué)技術(shù)，但網(wǎng)絡(luò)的縱向擴(kuò)展向光子學(xué)的轉(zhuǎn)變?nèi)栽谶M(jìn)行中，尚未完全實現(xiàn)。
目前，可插拔光纖收發(fā)器能夠在數(shù)十米范圍內(nèi)實現(xiàn)網(wǎng)卡與交換機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。
然而，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，這些解決方案正面臨日益增長的功耗和性能瓶頸。
為了適應(yīng)大規(guī)模語言模型（LLM）的增長和吞吐量需求，橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率持續(xù)提升，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)功率已超過加速器機(jī)架的功率。
英偉達(dá)指出，將可插拔光模塊轉(zhuǎn)變?yōu)镃PO可顯著降低1.6Tbps鏈路的光模塊功率，從30瓦特降至9瓦特。
英偉達(dá)在GTC25上推出了首款搭載CPO的橫向擴(kuò)展交換機(jī)。
其節(jié)能特性使得GPU密度得以提升——在相同的數(shù)據(jù)中心功率范圍內(nèi)，GPU數(shù)量最多可增加3倍。
目前，縱向擴(kuò)展互連主要依賴銅線。英偉達(dá)的Blackwell架構(gòu)采用全銅解決方案NVLink72，其廣泛的布線貫穿了主板、交換機(jī)和機(jī)架背板。
隨著信號頻率的提高，銅線束可以直接連接到GPU，從而繞過傳統(tǒng)的PCB走線。
新的統(tǒng)一接口需要兼顧兩者的優(yōu)勢——合并后的規(guī)范應(yīng)超越它們所取代的傳統(tǒng)接口。
預(yù)計在未來幾年內(nèi)，規(guī)?；W(wǎng)絡(luò)將開始向CPO過渡，并預(yù)計在2030年代大規(guī)模替換可插拔式光模塊。
到2030年，CPO市場規(guī)模預(yù)計將從目前的零增長至50億美元。
博通、Marvell、Ayar Labs、Celestial AI和Lightmatter等早期參與者，以及Coherent等激光器供應(yīng)商，都將從這一趨勢中受益。
結(jié)尾：在光子芯片領(lǐng)域國內(nèi)多個城市展現(xiàn)出潛力
近年來，隨著AI的迅猛發(fā)展，光芯片在通信、AI、數(shù)據(jù)中心等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
預(yù)計到2025年，全球光電子產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模有望突破2000億美元，其中光芯片的需求量預(yù)計將占據(jù)相當(dāng)大的份額。
在龐大的市場需求驅(qū)動下，廣東、江蘇、陜西等國內(nèi)多個地區(qū)正積極進(jìn)軍光芯片領(lǐng)域。
《光子時代：光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》顯示，西安光子產(chǎn)業(yè)集群已初具規(guī)模，形成了光子制造、光子信息、光子傳感等產(chǎn)業(yè)集群，在特定關(guān)鍵核心技術(shù)方面具有顯著的領(lǐng)先優(yōu)勢。
超過200家光子技術(shù)企業(yè)聚集在西安，孕育并孵化了炬光科技、萊特光電、中科微精、奇芯光電等一批國內(nèi)領(lǐng)先的光子技術(shù)企業(yè)。
武漢是我國較早進(jìn)行光電子產(chǎn)業(yè)基地規(guī)劃和布局的城市，是我國光子產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)跑者和產(chǎn)業(yè)高地。
武漢以[中國光谷]建設(shè)為引領(lǐng)，加速光子產(chǎn)業(yè)布局，光子產(chǎn)業(yè)主體總量突破19.1萬戶，建成了全球最大的光纖光纜產(chǎn)業(yè)基地，光器件研發(fā)生產(chǎn)全國第一。
蘇州被譽(yù)為[中國光電纜之都]，形成了國內(nèi)最完整的光通信產(chǎn)業(yè)鏈和最具影響力的產(chǎn)業(yè)集群，在國內(nèi)外樹立了蘇州光通信的整體區(qū)域品牌。
蘇州將光子產(chǎn)業(yè)定位為全市[1號產(chǎn)業(yè)工程]，推出[高光20條]政策。
其中，光子領(lǐng)域國家級高成長企業(yè)數(shù)量達(dá)到142家，形成了完善的企業(yè)梯次發(fā)展體系。
去年九月，我國首個光子芯片中試線在無錫正式啟用。
此舉標(biāo)志著我國光子芯片產(chǎn)業(yè)正式邁入產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展的軌道，將打破傳統(tǒng)計算模式的局限，為大規(guī)模智能計算開辟新的可能性。
該中試平臺總面積達(dá)1.7萬平方米，集科研、生產(chǎn)、服務(wù)功能于一體，實現(xiàn)了從薄膜鈮酸鋰光子芯片的光刻、薄膜沉積、刻蝕、濕法處理、切割、量測到封裝的全流程閉環(huán)生產(chǎn)。
中試線啟用后，預(yù)計年產(chǎn)能將達(dá)到10000片晶圓，預(yù)計至2025年第一季度將正式對外提供流片服務(wù)。
近期，國產(chǎn)高端光芯片外延片在蘇州實現(xiàn)量產(chǎn)。芯辰半導(dǎo)體宣布，其外延設(shè)備已投入生產(chǎn)，覆蓋了砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）光芯片四元化合物的全材料體系。
芯辰半導(dǎo)體目前已實現(xiàn)波長范圍在760 nm至1700nm的外延片量產(chǎn)，外延片的均勻性控制在激射中心波長外2nm以內(nèi)。
部分資料參考：全球半導(dǎo)體觀察：《中國光芯片領(lǐng)域再迎重大進(jìn)展，江蘇/四川等地集體[追光]》，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫：《光子芯片，助力AI》，智車行家：《解讀光子芯片：高傳輸速度+高寬帶，AI 浪潮下核心前景技術(shù)》，縱論天下之事：《光芯片，正在破局》
