克服這四大技術(shù)難題，借助硅光芯片亦可彎道超車

　　電子技術(shù)自發(fā)明以來，廣泛應(yīng)用于生活中的方方面面，如今已經(jīng)成為我們不可或缺的一部分。從1947年，威廉·邵克雷、約翰·巴頓和沃特·布拉頓成功地在貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出第一個晶體管;到1961年，第一個集成電路專利被授予羅伯特·諾伊斯;再到1971年：英特爾發(fā)布了其第一個微處理器4004……電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今也有七十多年的歷史，其中電子芯片作為電子技術(shù)的核心，也有四十多年的產(chǎn)業(yè)積累。

　　借助硅光芯片實(shí)現(xiàn)彎道超車

　　隨著我國將芯片列為國家重點(diǎn)規(guī)劃產(chǎn)業(yè)，“中國芯”三個字一直是我們的夢想，由于產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的局限，這個夢想并沒有那么容易實(shí)現(xiàn)。有激情、夢想是好事，但認(rèn)清現(xiàn)實(shí)更有助于我國的芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展，想在電子芯片上短時間超越歐美日韓等世界頂尖國家無異于癡人說夢。

　　盡管如此，但我們并非全無機(jī)會，借助硅光芯片實(shí)現(xiàn)彎道超車，這不失為一個捷徑。

　　硅光芯片是光子芯片中最常見的一種，這種芯片利用的是半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)。2016 年，科學(xué)家們提出了一種使用光子代替電子為理論基礎(chǔ)的計算芯片架構(gòu)，由于光和透鏡的交互作用過程本身就是一種復(fù)雜的計算，并使用多光束干涉技術(shù)，就可讓相關(guān)系尋反應(yīng)所需要的計算結(jié)果，這種芯片架構(gòu)也叫可程序設(shè)計納米光子處理器。

　　近日，有媒體報道，我國自行研制成功的“100G硅光收發(fā)芯片”正式投產(chǎn)使用。據(jù)OFweek電子工程網(wǎng)獲悉，這款硅光芯片面積不到30平方毫米，但是上面集成了光發(fā)送、調(diào)制、接收等六十多個有源和無源光元件，是目前國際上已報道的集成度最高的商用硅光子集成芯片之一。

　　能取得這樣的成績并不驚訝，因?yàn)槲覈鴮韫庑酒a(chǎn)業(yè)非常重視。一方面是由于我國是通訊大國，通訊技術(shù)是衡量大國的關(guān)鍵指標(biāo)之一，而光通信最關(guān)鍵的技術(shù)就是光子芯片;另一方面是我國電子芯片產(chǎn)業(yè)相對薄弱，全球光子芯片產(chǎn)業(yè)剛剛起步，對于我們并肩歐美甚至趕超，這是一個很好的超車機(jī)遇。

　　我們要想真正在硅光芯片上成為全球的領(lǐng)導(dǎo)者，不是砸點(diǎn)資金和人力就可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槟壳懊绹?、日本在這個產(chǎn)業(yè)上也投入了重金和精力，中國的優(yōu)勢并不明顯，甚至有點(diǎn)落后。目前，國內(nèi)僅有光迅科技、海信、華為、烽火等少數(shù)廠商可以生產(chǎn)中高端芯片，但總體供貨有限，高端芯片嚴(yán)重依賴于博通、三菱等美日公司。

　　好消息是，我國的硅光芯片產(chǎn)業(yè)布局越來也完善，我國被稱為“光芯”的城市約有六座，目前，已經(jīng)形成武漢、大連、上海、南通等全球知名的光子芯片產(chǎn)業(yè)鏈。

　　硅光芯片發(fā)展的四大技術(shù)難題

　　一、硅光子芯片技術(shù)的設(shè)計痛點(diǎn)

　　硅光芯片的設(shè)計方面面臨著架構(gòu)不完善、體積和性能平衡等難題。硅光芯片的設(shè)計方案有三大主流：前端集成、混合集成和后端集成。前端集成的缺點(diǎn)是面積利用率不高、SOI襯底光/電不兼容、靈活性低和波導(dǎo)掩埋等，在工藝上的成本超高;后端集成在制造方面難度很大，尤其是波導(dǎo)制備目前而言很有挑戰(zhàn);至于混合集成，雖然工藝靈活，但成本較高，設(shè)計難度大。

　　二、硅光子芯片技術(shù)的制造難題

　　硅光芯片的制造工藝面臨著自動化程度低、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、設(shè)備緊缺等技術(shù)難關(guān)。由于光波長難以壓縮，過長的波長限制芯片體積微縮的可能。同時光學(xué)裝置須要更精確的做工，因?yàn)楣馐鴤鬏數(shù)男┪⑵顣斐删薮蟮膯栴}，相對需要高技術(shù)及高成本。光子芯片相關(guān)的制程技術(shù)尚有待完善，良品率和成本將是考驗(yàn)產(chǎn)業(yè)的一大難題。

　三、硅光子芯片面臨的封裝困擾

　　芯片封裝是任何芯片的必經(jīng)流程，關(guān)于硅光子的芯片封裝問題，這是目前行業(yè)的一大痛點(diǎn)。硅光芯片的封裝主要分為兩個部分，一部分是光學(xué)部分的封裝，一部分是電學(xué)部分的封裝。從光學(xué)封裝角度來說，因?yàn)楣韫庑酒捎玫墓獾牟ㄩL非常的小，跟光纖存在著不匹配的問題，與激光器也存在著同樣的問題;不匹配的問題就會導(dǎo)致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統(tǒng)封裝相比最大的區(qū)別。用硅光做高速的器件，隨著性能的不斷提升，pin的密度將會大幅度增加，這也會為封裝帶來很大的挑戰(zhàn)。

　　四、產(chǎn)業(yè)相關(guān)的器件難題

　　硅光芯片需要的器件很多，而目前仍有很多相關(guān)技術(shù)難題未解決。如硅基光波導(dǎo)主要面臨的產(chǎn)品化問題：硅基光電子需要小尺寸、大帶寬、低功耗的調(diào)制器。有源光芯片、器件與光模塊產(chǎn)品是重點(diǎn)器件，如陶瓷套管/插芯、光收發(fā)接口等組件技術(shù)目前尚未完全掌握。

　　綜述：在摩爾定律的推動下，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電子芯片逐漸遇到性能瓶頸，尤其是速度與大數(shù)據(jù)帶來的巨大壓力。光子芯片具有明顯的速度優(yōu)勢，可使芯片運(yùn)算速度得到巨大提升。伴隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，光子芯片在智能終端、大數(shù)據(jù)、超算等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大作用。

　　正是有著如此多的優(yōu)勢和特點(diǎn)，在大數(shù)據(jù)、生命科學(xué)、激光武器等高端領(lǐng)域其作用不可替代。未來，光子芯片的前景廣闊，其應(yīng)用未必比電子芯片少?？梢灶A(yù)見的是， 將來是一個光子芯片、電子芯片平分天下的局面。