芯耀
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【技術(shù)大院導(dǎo)讀】當(dāng)下科技競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，芯片技術(shù)更是日新月異。早在上世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開(kāi)始為傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個(gè)追逐的目標(biāo)。
01、背景
半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，微電子技術(shù)大致遵循著“摩爾定律”快速發(fā)展，人們對(duì)信息傳輸和處理的要求越來(lái)越高。隨著信息技術(shù)的不斷拓寬和深入，芯片的制成工藝已減小到?10 nm?以下，但由此帶來(lái)的串?dāng)_、發(fā)熱和高功耗問(wèn)題成為微電子技術(shù)難以解決的瓶頸。
后摩爾時(shí)代的微電子芯片制程技術(shù)路線(xiàn)可分為：
繼續(xù)優(yōu)化互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的“延續(xù)摩爾”（moreMoore）路線(xiàn)
利用先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)封裝的“擴(kuò)展摩爾”（more than Moore）路線(xiàn)
通過(guò)新材料新器件實(shí)現(xiàn)的“超越摩爾”（beyondCMOS）路線(xiàn)
相比于“延續(xù)摩爾”路線(xiàn)對(duì)于半導(dǎo)體先進(jìn)設(shè)備的依賴(lài)和巨大投入，通過(guò)光電異質(zhì)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片間及芯片內(nèi)光互聯(lián)可有效解決微電子芯片目前金屬互聯(lián)的帶寬、功耗和延時(shí)等問(wèn)題，是對(duì)現(xiàn)有微電子芯片的重要拓展。同時(shí)，通過(guò)光電異質(zhì)集成多種材料也可制作新一代信息器件（如光量子集成芯片），是信息產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展摩爾和超越摩爾技術(shù)路線(xiàn)的重要領(lǐng)域。
硅基光電子集成技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)“硅光技術(shù)”），通過(guò)傳統(tǒng)微電子?CMOS?工藝實(shí)現(xiàn)光電子器件和微電子器件的單片集成，是研究和開(kāi)發(fā)以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術(shù)。
硅基光電子集成芯片概念圖
上圖：硅基光電子集成芯片的概念圖，該芯片由光源、調(diào)制器、光波導(dǎo)、探測(cè)器及電路芯片構(gòu)成，由激光器產(chǎn)生光信號(hào)并通過(guò)調(diào)制器和探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高速電信號(hào)與光信號(hào)的收發(fā)。
目前，硅光技術(shù)主要采用基于?SOI（絕緣襯底上硅）襯底的制造平臺(tái)，已能實(shí)現(xiàn)探測(cè)器與調(diào)制器的單片集成。然而硅基光電子集成芯片的性能受限于硅材料本身的光電性能，仍存在無(wú)法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調(diào)制器等問(wèn)題。因此，利用不同種材料發(fā)揮其各自光電特性?xún)?yōu)勢(shì)的硅基光電異質(zhì)集成技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速。
硅基光電異質(zhì)集成技術(shù)不僅擁有硅材料可大規(guī)模?CMOS?制造的特點(diǎn)，同時(shí)充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)異光電特性，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硅光技術(shù)無(wú)法媲美的器件指標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正意義上的硅基光電子單片集成系統(tǒng)。
02、光子芯片演變發(fā)展
20世紀(jì)60年代以來(lái)，人類(lèi)在電子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了無(wú)與倫比的成就。但經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)也遇到了速率和功耗兩大瓶頸，進(jìn)而衍生出阻礙電子計(jì)算機(jī)性能提升的3個(gè)技術(shù)壁壘：功耗墻、訪(fǎng)存墻與I/O墻。
早在1992年，中國(guó)工程院院士許居衍便預(yù)測(cè)，2014-2017年，人類(lèi)將進(jìn)入硅技術(shù)生命曲線(xiàn)上的拐點(diǎn)，即將進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”?，F(xiàn)有馮諾依曼計(jì)算系統(tǒng)采用存儲(chǔ)和運(yùn)算分離的架構(gòu)，存在“存儲(chǔ)墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴(yán)重制約系統(tǒng)算力和能效的提升。人工智能的發(fā)展已經(jīng)被算力不足，能效過(guò)低約束。
摩爾定律及AI算法算力的演進(jìn)發(fā)展
在馮·諾依曼架構(gòu)中，存儲(chǔ)器與處理器是兩個(gè)完全分離的單元，處理器根據(jù)指令從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)、完成運(yùn)算，并存回存儲(chǔ)器。兩者之間數(shù)據(jù)交換通路窄以及由此引發(fā)的高能耗兩大難題，在存儲(chǔ)與運(yùn)算之間筑起了一道“存儲(chǔ)墻”。
當(dāng)下的計(jì)算處理器如CPU，GPU或AI專(zhuān)用芯片等，均采用馮諾依曼架構(gòu)設(shè)計(jì)，80%的功耗發(fā)生在數(shù)據(jù)傳輸上，99%的時(shí)間消耗在存儲(chǔ)器書(shū)寫(xiě)過(guò)程中，而真正用于計(jì)算的能耗和時(shí)間其實(shí)占比很低。
制約高性能計(jì)算發(fā)展的最大技術(shù)障礙是能耗，E級(jí)系統(tǒng)功耗預(yù)計(jì)有466.7MW，全年40.88億千瓦時(shí)的用電量幾乎相當(dāng)于三峽電站全年發(fā)電量的1/20。人工智能迅猛發(fā)展的當(dāng)下，人工智能算法對(duì)邏輯單元與存儲(chǔ)單元之間信息交互能力的需求相對(duì)于傳統(tǒng)任務(wù)更嚴(yán)苛。
AI計(jì)算以數(shù)據(jù)為主，大量數(shù)據(jù)搬運(yùn)導(dǎo)致功耗居高不下。到2025年，全球數(shù)據(jù)中心將使用全球20%的電量。AlphaGo下棋打敗人類(lèi)，但人類(lèi)只用了20瓦的大腦能耗，而AlphaGo是2萬(wàn)瓦。如果更多腦力勞動(dòng)被機(jī)器取代，芯片散發(fā)的熱量會(huì)讓地球變得滾燙。
此外，處理器與內(nèi)存之間、處理器與處理器之間信息交互的速度嚴(yán)重滯后于處理器計(jì)算速度，訪(fǎng)存與I/O瓶頸導(dǎo)致處理器計(jì)算性能有時(shí)只能發(fā)揮出10%，這對(duì)計(jì)算發(fā)展形成了極大制約。受電子物理極限制約，傳統(tǒng)制程工藝的進(jìn)步不但無(wú)助于問(wèn)題的解決，甚至?xí)夯陨蠁?wèn)題。
電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，難以滿(mǎn)足高性能計(jì)算不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)吞吐需求。用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，硅光芯片具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以承載更多的信息和傳輸更遠(yuǎn)的距離
光子彼此間的干擾少、提供相較于電子芯片高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的計(jì)算密度與低兩個(gè)數(shù)量級(jí)的能耗
相較于量子芯片，光子芯片不需要改變二進(jìn)制的架構(gòu)，能夠延續(xù)當(dāng)前的計(jì)算機(jī)體系
光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運(yùn)用電子芯片先進(jìn)的制造工藝及模塊化技術(shù)，結(jié)合光子和電子優(yōu)勢(shì)的硅光技術(shù)將是未來(lái)的主流形態(tài)
硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)。
硅光子技術(shù)其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。硅光子技術(shù)將硅光模塊中的光學(xué)器件與電子元件整合到一個(gè)獨(dú)立的微芯片中，使光信號(hào)處理與電信號(hào)的處理深度融合，最終實(shí)現(xiàn)真正意義上的“光互聯(lián)”。
硅基光電子技術(shù)擁有光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢(shì)，更適應(yīng)未來(lái)高速、復(fù)雜的光通信系統(tǒng)。同時(shí)可以滿(mǎn)足長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸以及微電子芯片間的短距離大容量數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)與微電子集成電路進(jìn)行單片集成，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的片上互連，突破微電子處理器在數(shù)據(jù)互連上的瓶頸。
其中，硅光芯片異軍突起，在芯片領(lǐng)域引領(lǐng)了一場(chǎng)變革，融合光子和電子優(yōu)勢(shì)，突破摩爾定律限制，滿(mǎn)足人工智能、云計(jì)算帶來(lái)的爆發(fā)性算力需求。預(yù)計(jì)未來(lái)三年，硅光芯片將承載大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸。
03、硅光芯片應(yīng)用趨勢(shì)
云計(jì)算與人工智能的大爆發(fā)讓光子傳輸?shù)膬?yōu)越性得以凸顯。在通信場(chǎng)景，由于大型分布式計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、云原生應(yīng)用讓數(shù)據(jù)中心內(nèi)的數(shù)據(jù)通信密度大幅提升，數(shù)據(jù)移動(dòng)成為性能瓶頸。傳統(tǒng)光模塊成本過(guò)高，難以大規(guī)模應(yīng)用，硅光芯片能夠在低成本的前提下有效提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)集群之間、服務(wù)器之間、乃至于芯片之間的通信效率。在計(jì)算場(chǎng)景，據(jù)OpenAI統(tǒng)計(jì)，自2012年，每3.4個(gè)月人工智能的算力需求就翻倍，摩爾定律帶來(lái)的算力增長(zhǎng)已無(wú)法完全滿(mǎn)足需求，硅光芯片作為解決方案的價(jià)值得到廣泛的期待。
數(shù)據(jù)中心是光通信產(chǎn)業(yè)的重要市場(chǎng)，是承載數(shù)字計(jì)算力、各行業(yè)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障設(shè)施，也是促進(jìn)各行各業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵動(dòng)力。對(duì)比普通光模塊，硅光模塊具有低功耗、高集成和高速率等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于需要大量使用光模塊的數(shù)據(jù)中心而言，硅光模塊最顯著的優(yōu)勢(shì)就是低成本。
如果硅光芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得以廣泛部署，那么以硅光子為核心的光計(jì)算將有可能帶動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步，進(jìn)而影響數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
尤其需要注意的是，光通信與光計(jì)算相輔相成，光通信中的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)會(huì)在光計(jì)算中得到應(yīng)用，光計(jì)算要求的低損耗、高密度光子集成技術(shù)也會(huì)促進(jìn)光通信發(fā)展。兩者的結(jié)合最終會(huì)讓數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸都在光域完成。
“大規(guī)模光子集成芯片”先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施路線(xiàn)圖
04、我國(guó)硅光技術(shù)現(xiàn)狀
近年來(lái)，在“863?計(jì)劃”“973?計(jì)劃”和國(guó)家自然科學(xué)基金等支持下，我國(guó)也加大了硅基異質(zhì)集成方向的研究力度，在硅基關(guān)鍵光電子集成器件等方面取得了一系列重要成果，調(diào)制、探測(cè)、復(fù)用與解復(fù)用等分立器件已經(jīng)研制成功，異質(zhì)集成襯底、光源、高速光電調(diào)制器等方向取得了一系列重要進(jìn)展。
學(xué)術(shù)研究方面：
片上直接生長(zhǎng)技術(shù)路線(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所通過(guò)硅圖形化襯底上的同質(zhì)加異質(zhì)外延生長(zhǎng)有效解決了硅上異質(zhì)外延生長(zhǎng)Ⅲ-Ⅴ族材料的難題，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的硅基片上光源
片上鍵合異質(zhì)集成技術(shù)路線(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所通過(guò)離子注入剝離技術(shù)研發(fā)出多種材料硅基異質(zhì)集成襯底，包括?SiCOI、LNOI、Ⅲ-ⅤOI，為多種材料硅基光電異質(zhì)集成提供了材料平臺(tái)；北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等單位通過(guò)導(dǎo)電透明電極方案開(kāi)發(fā)出?mW?量級(jí)硅基激光器
片間混合集成技術(shù)路線(xiàn)。上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、國(guó)家光電子創(chuàng)新中心開(kāi)發(fā)出窄線(xiàn)寬可調(diào)激光器
新型材料硅基光電異質(zhì)集成領(lǐng)域。中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等單位通過(guò)利用硅基薄膜鈮酸鋰開(kāi)發(fā)出一系列高性能光電調(diào)制器、偏振控制器等器件；北京大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)等單位利用稀土元素?fù)诫s的方法進(jìn)行硅基發(fā)光的嘗試；中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、廈門(mén)大學(xué)利用硅基異質(zhì)生長(zhǎng)鍺硅材料進(jìn)行了光源器件的嘗試；浙江大學(xué)在硅基硫系化合物、二維材料集成光電領(lǐng)域取得了一系列器件成果，將硅基光電器件延伸到中紅外波段
產(chǎn)業(yè)方面：
國(guó)內(nèi)光模塊公司大多還采用傳統(tǒng)的透鏡封裝方案，目前尚未有公司在量產(chǎn)產(chǎn)品上使用異質(zhì)集成解決方案。相比國(guó)外各大公司、代工廠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，我國(guó)在硅基異質(zhì)集成方面產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢，尚未形成一定規(guī)模的公司基于異質(zhì)集成技術(shù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品并批量出貨。
異質(zhì)集成材料。濟(jì)南晶正公司制造的硅基?LiNbO3?材料一枝獨(dú)秀，是目前國(guó)內(nèi)外幾乎所有薄膜?LiNbO3?調(diào)制器的材料供應(yīng)商
異質(zhì)集成材料器件。有一批從學(xué)校和科研院所孵化的創(chuàng)業(yè)公司浮現(xiàn)，如制作薄膜?LiNbO3?調(diào)制器的江蘇鈮奧光電公司、生產(chǎn)硅基異質(zhì)外延材料和光源的東莞思異半導(dǎo)體公司等
異質(zhì)集成模塊。蘇州易銳光電公司通過(guò)片間混合集成方式實(shí)現(xiàn)了密波?10?通道?100 Gbps?模塊的小批量出貨；青島海信寬帶公司利用鍵合集成技術(shù)做出過(guò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)嘗試，但目前尚無(wú)產(chǎn)品問(wèn)世
硅光芯片制成平臺(tái)：
國(guó)家層面加大投入，與國(guó)外先進(jìn)的硅光科研平臺(tái)，如比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）、新加坡科學(xué)技術(shù)研究院微電子所（IME）等工藝線(xiàn)接軌。重慶聯(lián)合微電子中心、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所、上海微技術(shù)工業(yè)研究院等單位已建成了各具特色的硅光工藝線(xiàn)
中國(guó)科學(xué)院微電子研究所、重慶聯(lián)合微電子中心還開(kāi)發(fā)了用于設(shè)計(jì)的光電仿真軟件，從軟件設(shè)計(jì)端為未來(lái)做好布局
相比國(guó)外，我國(guó)目前國(guó)內(nèi)光模塊廠商仍通過(guò)海外代工廠進(jìn)行硅光芯片的流片。在異質(zhì)集成方面，重慶聯(lián)合微電子中心已對(duì)外開(kāi)放?SiN?流片；而對(duì)于光源的異質(zhì)集成方案，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)廠家開(kāi)放服務(wù)
05、展望
硅光技術(shù)的成熟還需要解決一系列問(wèn)題：
首先，硅光芯片的設(shè)計(jì)、封裝等環(huán)節(jié)尚未標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化，其產(chǎn)能、成本、良率優(yōu)勢(shì)還未顯現(xiàn)
其次，光計(jì)算的精度仍低于電子芯片，集成度也需要進(jìn)一步提高
硅基光電子技術(shù)具有集成度高的優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)，高集成度對(duì)芯片的封裝技術(shù)也提出了更高的要求。硅基光電子芯片的封裝對(duì)精度要求高、技術(shù)難度大，現(xiàn)階段硅基光電子芯片的封裝成本甚至占到了硅基光電子模塊總成本的 10%左右。開(kāi)發(fā)具有低成本、高可靠性的硅基光電子芯片封裝技術(shù)是硅基光電子大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)之一。
5G時(shí)代，對(duì)芯片傳輸速率和穩(wěn)定性要求更高，使得密集組網(wǎng)對(duì)硅光芯片的需求大增。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，智能傳感、移動(dòng)終端等產(chǎn)品均可利用硅光技術(shù)在有限的空間集成更多的器件；在量子通信領(lǐng)域，由于硅光技術(shù)保密性強(qiáng)、集成度高、適合復(fù)雜光路控制等優(yōu)勢(shì)，有望成為量子通信的重要技術(shù)方案。
可以預(yù)見(jiàn)，硅光芯片用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，可承載更多信息和傳輸更遠(yuǎn)距離，具備高計(jì)算密度與低能耗的優(yōu)勢(shì)。隨著云計(jì)算與人工智能的大爆發(fā)，硅光芯片迎來(lái)技術(shù)快速迭代與產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展。硅光芯片將承載絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的高速信息傳輸。
當(dāng)前，硅基半導(dǎo)體已經(jīng)推進(jìn)到5nm和3nm，IBM今年也宣布了突破2nm的「PPT 工藝」。
光子芯片是用光子代替電子進(jìn)行信息傳輸，可以承載更多的信息和傳輸更遠(yuǎn)的距離。光電融合是未來(lái)芯片的發(fā)展趨勢(shì)，硅光子和硅電子芯片取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，促使算力的持續(xù)提升。 未來(lái)三年，硅光芯片將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸；未來(lái)五到十年，以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計(jì)算將逐步取代電子芯片的部分計(jì)算場(chǎng)景。
