硅光子芯片的時代即將開啟

　　正處于后摩爾定律時代，未來如何解決半導(dǎo)體物理極限的議題，也許將電腦進(jìn)化成光腦就能夠解決。

　　光腦是指用光子取代傳統(tǒng)的電子的電腦，IBM在2007年就已發(fā)展光子運算芯片，目前可分為光電混合電腦與純光子電腦。光電混合電腦使用雷射光脈沖傳輸資料，但部分芯片仍使用電子元件，故需要光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中相對慢及耗能。

　　光子電腦不使用電子，改用光子加上折射鏡或分光鏡取代原有的邏輯閘來做資料傳輸及運算，比傳統(tǒng)電子傳遞過程會經(jīng)過帶有電阻的電線而損耗，光子沒有質(zhì)量、不須介質(zhì)傳遞，更能以光速前進(jìn)，一旦產(chǎn)生就不會額外耗能。光子傳遞甚至可以同時使用超過兩種不同波長的光來取代二進(jìn)位訊號，大幅增加運算速度。

　　使用光來取代電子傳遞訊息時也并非沒有缺點，因為光波長難以壓縮，過長的波長限制芯片體積微縮的可能。為解決此問題，哥倫比亞大學(xué)研發(fā)一種光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換的方法，在示范裝置中，超穎介面(metasurface)能讓傳遞的光波長縮短為空氣中波長縮小1.7倍，因此能縮小積體光學(xué)的大小。

　　光學(xué)裝置須要更精確的做工，因為光束傳輸?shù)男┪⑵顣斐删薮蟮膯栴}，相對需要高技術(shù)及高成本。惠普實驗室今年初宣布已開發(fā)一種光整合電路裝置，使用1，052種光學(xué)元件組成，用光的偏振性質(zhì)編碼，比傳統(tǒng)芯片能更快速處理計算問題。光子電路也適合做深度學(xué)習(xí)，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊發(fā)表奈米光子處理器，控制光波導(dǎo)讓光產(chǎn)生干涉條紋，來進(jìn)行深度運算。光子電腦離要能實際應(yīng)用，還有很多困難待克服，已有愈來愈多大廠投入研發(fā)，如惠普、IBM。從長遠(yuǎn)看來，光子運算有助人工智慧革命，為社會帶來更重大改變。

　　光傳輸技術(shù)與光整合電路最重要

　　在所有的光子技術(shù)中，光傳輸技術(shù)與光整合電路為最重要的次世代的技術(shù)，未來將對醫(yī)療技術(shù)、光電感測、太陽能電池元件、遠(yuǎn)紅外線光源及光顯示等應(yīng)用產(chǎn)生革命性的影響。

　　市場研調(diào)機(jī)構(gòu)Credence預(yù)估，光整合電路在2020年時的全球產(chǎn)值將達(dá)到13億美元，2015年至2020年產(chǎn)值年復(fù)合成長率高達(dá)25.2%。MarketsandMarkets更指出，未來光子技術(shù)在電信傳輸與資料傳輸?shù)葢?yīng)用將成長最快，將于2020年達(dá)到200萬美元，而消費性電子的光子技術(shù)應(yīng)用也值得關(guān)注，預(yù)計在2020年產(chǎn)值也將達(dá)到150萬美元。

　　光子因不具有電荷與質(zhì)量，擁有低能量耗損與不容易受到外界干擾的特性，能夠解決半導(dǎo)體在不斷微縮過程中，元件與導(dǎo)線的距離縮短導(dǎo)致電磁干擾導(dǎo)致操作延遲、能源損耗等相關(guān)的問題。因此光子成為后摩爾定律時代中新興的重要技術(shù)。歐盟在2009年歐盟所提出Key Enabling Technologies(KETs)的五項技術(shù)，即包含光子技術(shù)。光子技術(shù)的節(jié)能特征，將隨著倍數(shù)增加的運算、儲存需要而變得日益重要，各國也紛紛投入相關(guān)研究計劃支持。

　　歐盟第七期框架計劃就透過科技補助支持CMOS整合光電子技術(shù)(HELIOS)研究、光子制造技術(shù)平臺(PLAT4M)等計劃，協(xié)助將光子整合電路技術(shù)從科學(xué)研究變成商業(yè)產(chǎn)品并形成產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入歐盟第八期歐盟框架計劃階段(Horizon 2020)，歐盟將光子技術(shù)的研發(fā)分為先進(jìn)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究，主要目的是探索光子先進(jìn)技術(shù)，保持歐洲在光子技術(shù)上的領(lǐng)先;還有透過公私伙伴協(xié)力的方式，加速光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　美國在先進(jìn)制造伙伴2.0計劃預(yù)計以尖端制造業(yè)再復(fù)興創(chuàng)造美國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提出15個創(chuàng)新研究中心，包含光整合電路創(chuàng)新中心，由紐約州立大學(xué)與美國能源局共同負(fù)責(zé)營運。該創(chuàng)新中心主要提供光整合電路的標(biāo)準(zhǔn)化平臺，協(xié)助光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)擴(kuò)散，將串聯(lián)設(shè)備制造商、材料供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商、光整合電路生產(chǎn)商與研究者，透過多方合作，加快光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。美國國家科學(xué)基金會、美國國家航空暨太空總署等也投入光子尖端技術(shù)研發(fā)，包含LiDar技術(shù)、光處理器、先進(jìn)醫(yī)療光感測器、多光雷射等。

　　日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省與新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)在2012年展開十年的光電子融合基礎(chǔ)技術(shù)研究，以確保日本在后摩爾時期，能在光整合電路相關(guān)技術(shù)上保有領(lǐng)先優(yōu)勢。至于前瞻光子技術(shù)的部分，日本文部科學(xué)省于2016年揭露研究目標(biāo)與戰(zhàn)略分項所展開的拓璞量子戰(zhàn)略，將量子運算、自旋電子學(xué)與光子技術(shù)列于重點技術(shù)，將于未來投入發(fā)展光子新的理論、使用單向傳播光波導(dǎo)的光整合電路、光學(xué)儲存設(shè)備、高功能單模雷射和向量光束。

　　中國大陸投入光子技術(shù)包含兩個部分：光通訊的技術(shù)追趕與光子技術(shù)彎道超車。在技術(shù)追趕部分，透過全國電子光學(xué)系統(tǒng)十三五標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展規(guī)劃，設(shè)立光子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，透過制定標(biāo)準(zhǔn)提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)。國家重大科學(xué)研究計劃則建立自主的硅光子技術(shù)與研發(fā)平臺，透過中科學(xué)、大學(xué)與產(chǎn)業(yè)的合作，擬在關(guān)鍵的高性能的微奈米電光元件及其整合技術(shù)上，實現(xiàn)光子技術(shù)的彎道超車。光子技術(shù)是兼具科技前瞻性與市場應(yīng)用性的技術(shù)，從產(chǎn)值估測可以得知，未來幾年光子技術(shù)應(yīng)用將逐漸深入生活。因此各國無不投入研發(fā)資源，期望透過產(chǎn)官學(xué)研的資源整合，搶占光子技術(shù)未來商機(jī)與機(jī)會。

　　技術(shù)面面觀

　　光子芯片主要是將無數(shù)個光學(xué)系統(tǒng)整合在芯片上，就如同現(xiàn)今的半導(dǎo)體芯片，但將利用超微透鏡取代電晶體并以光子來進(jìn)行運算。光子芯片與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片相比，具有更高的運算效率以及訊息傳輸量，也兼具耗能低、運行過程中產(chǎn)生較少的熱，所以無須復(fù)雜的散熱設(shè)計等優(yōu)點，因此被認(rèn)為在未來可延續(xù)摩爾定律，傳承舊有硅芯片的發(fā)展。

　　在眾多光子技術(shù)中，硅光子及其相關(guān)技術(shù)憑借其使用成本較低的硅與硅基襯底材料，并結(jié)合既有且技術(shù)成熟的CMOS技術(shù)，使其極其受到青睞，自2015年IBM公司研制硅光學(xué)芯片后，使該技術(shù)呈現(xiàn)爆發(fā)式的成長，并使該技術(shù)自實驗室走入市場，吸引微軟、亞馬遜及Facebook等公司的青睞，因為這些公司的數(shù)據(jù)中心常在云端資料連結(jié)并處理巨量的資料時，受限于傳統(tǒng)的銅線以及低速光纖的傳輸量，造成運行效率低落。

　　而硅光子技術(shù)的發(fā)展，將可有效解決此問題，以2016年Intel硅光100G PSM4 QSFP、以及Intel硅光100G CWDM4 QSFP所推出的收發(fā)器產(chǎn)品。憑借著其微型、高速、低功耗的特性，可有效解決目前數(shù)據(jù)交換瓶頸及能耗問題，該產(chǎn)品整合雷射與硅光子元件，透過調(diào)變技術(shù)，資訊傳輸速度可達(dá)每秒100GB，是傳統(tǒng)銅線傳輸?shù)乃谋?，這將解決令各數(shù)據(jù)中心在運算能力上陷入困境的網(wǎng)絡(luò)瓶頸。但硅光子技術(shù)的應(yīng)用不僅如此，包含高速電腦、感測器、生命科學(xué)、量子運算等高階應(yīng)用，以及自駕車應(yīng)用的光學(xué)雷達(dá)等需要大量交換資訊應(yīng)用，也將受惠于該技術(shù)的發(fā)展。

　　在投入廠商方面，除Intel、IBM、思科、Imec等，因硅光子技術(shù)涵蓋半導(dǎo)體技術(shù)與光學(xué)技術(shù)，加上此技術(shù)帶來大量數(shù)據(jù)或訊息交換的應(yīng)用，將會改變傳統(tǒng)通訊產(chǎn)業(yè)運作模式，Mellanox 、Luxtera等光通信公司及設(shè)備商華為等公司皆投入相關(guān)研究。