新型光子芯片正在改變未來(lái)

光纖無(wú)線或許不再有任何障礙。米蘭理工大學(xué)與比薩圣安娜高等學(xué)校、格拉斯哥大學(xué)和斯坦福大學(xué)合作進(jìn)行的一項(xiàng)研究，發(fā)表在著名期刊《自然光子學(xué)》上，使創(chuàng)建能夠通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算最佳形狀的光子芯片成為可能光線能夠最好地穿過(guò)任何環(huán)境，即使是未知的或隨時(shí)間變化的環(huán)境。

這個(gè)問(wèn)題是眾所周知的：光對(duì)任何形式的障礙物都很敏感，即使是非常小的障礙物。例如，想一想當(dāng)透過(guò)磨砂窗戶或當(dāng)我們的眼鏡起霧時(shí)我們?nèi)绾慰吹轿矬w。這種效果與光學(xué)無(wú)線系統(tǒng)中攜帶數(shù)據(jù)流的光束非常相似：信息雖然仍然存在，但卻完全扭曲并且極難檢索。

光學(xué)無(wú)線技術(shù)的新突破采用光子芯片，可有效塑造光以改善數(shù)據(jù)傳輸，這對(duì)于未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和高速數(shù)據(jù)處理的進(jìn)步至關(guān)重要。

創(chuàng)新光子芯片技術(shù)

這項(xiàng)研究中開發(fā)的設(shè)備是用作智能收發(fā)器的小型硅芯片：成對(duì)工作，它們可以自動(dòng)且獨(dú)立地「計(jì)算」光束需要什么形狀，以便以最大效率穿過(guò)通用環(huán)境。這還不是全部，它們還可以生成多個(gè)重疊的光束，每個(gè)光束都有自己的形狀，并引導(dǎo)它們而不互相干擾；這樣，傳輸容量就大大增加，正如下一代無(wú)線系統(tǒng)所要求的那樣。

高效先進(jìn)的加工

「我們的芯片是數(shù)學(xué)處理器，可以非?？焖儆行У乩霉膺M(jìn)行計(jì)算，幾乎不消耗能源。光束通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算（本質(zhì)上是求和和乘法）生成，直接對(duì)光信號(hào)執(zhí)行，并通過(guò)直接集成在芯片上的微天線傳輸。這項(xiàng)技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：處理極其簡(jiǎn)單、能源效率高以及超過(guò) 5000 GHz 的巨大帶寬?！姑滋m理工大學(xué)光子器件實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Francesco Morichetti 解釋道。

轉(zhuǎn)向模擬技術(shù)

「如今，所有信息都是數(shù)字化的，但事實(shí)上，圖像、聲音和所有數(shù)據(jù)本質(zhì)上都是模擬的。數(shù)字化確實(shí)允許非常復(fù)雜的處理，但隨著數(shù)據(jù)量的增加，這些操作在能源和計(jì)算方面變得越來(lái)越不可持續(xù)。如今，人們對(duì)通過(guò)專用電路（模擬協(xié)處理器）回歸模擬技術(shù)抱有極大興趣，專用電路將成為未來(lái) 5G 和 6G 無(wú)線互連系統(tǒng)的推動(dòng)者。我們的芯片就是這樣工作的，」米蘭理工大學(xué)微納米技術(shù)中心 Polifab 主任 Andrea Melloni 說(shuō)道。

各領(lǐng)域應(yīng)用

「使用光學(xué)處理器的模擬計(jì)算在許多應(yīng)用場(chǎng)景中至關(guān)重要，包括神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)加速器、高性能計(jì)算 (HPC) 和人工智能、量子計(jì)算機(jī)和密碼學(xué)、高級(jí)本地化、定位和傳感器系統(tǒng)。」Scuola Superiore Sant'Anna TeCIP 研究所（電信、計(jì)算機(jī)工程和光子學(xué)研究所）的電子學(xué)教授 Marc Sorel 補(bǔ)充道。

這項(xiàng)工作由 NRRP 和 RESTART 研發(fā)計(jì)劃「未來(lái)電信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的研究和創(chuàng)新，讓意大利更加智能」共同資助。在 RESTART 計(jì)劃中，米蘭理工大學(xué)的 Andrea Melloni 教授和 Piero Castaldi 教授、Istituto TeCIP、Scuola Superiore Sant'Anna Pisa 領(lǐng)導(dǎo)了「HePIC」重點(diǎn)項(xiàng)目和「Rigoletto」結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，旨在開發(fā)下一代光子學(xué)將支持未來(lái) 6G 基礎(chǔ)設(shè)施的集成電路和光傳輸網(wǎng)絡(luò)。

Yole：2028 年，硅光芯片市場(chǎng)將超過(guò) 6 億美元

自 2023 年初以來(lái)，圍繞硅光子學(xué)進(jìn)行了大量炒作，并進(jìn)行了大量投資，特別是光計(jì)算、光 I/O 和各種傳感應(yīng)用。各種應(yīng)用中的主要技術(shù)將相對(duì)較快地被基于光學(xué)的設(shè)計(jì)和架構(gòu)所取代，這似乎是合乎邏輯的。巨頭們預(yù)測(cè)光學(xué)將是必要的，并且很快就會(huì)變得普遍，而初創(chuàng)公司正在通過(guò)研發(fā)開發(fā)新的應(yīng)用。那么，我們能否期待這一預(yù)測(cè)很快實(shí)現(xiàn)呢？

盡管關(guān)于光子學(xué)與電子學(xué)結(jié)合的必要性存在很多爭(zhēng)論，但最大的硅光子市場(chǎng)——數(shù)據(jù)通信可插拔設(shè)備——僅產(chǎn)生約 12% 的數(shù)據(jù)通信收發(fā)器收入（預(yù)計(jì)到 2028 年將達(dá)到 30%）。半導(dǎo)體市場(chǎng)正經(jīng)歷長(zhǎng)期的下滑，導(dǎo)致客戶的購(gòu)買行為更加務(wù)實(shí)。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商更喜歡歷史悠久且低成本的技術(shù)解決方案。Yole Intelligence 的市場(chǎng)研究表明，硅光子學(xué)還不是一項(xiàng)主要技術(shù)，即使對(duì)于傳輸距離長(zhǎng)達(dá) 500m 的數(shù)據(jù)中心內(nèi)互連也是如此。

在這種背景下，硅光子學(xué)仍然是一項(xiàng)正在積極開發(fā)的技術(shù)，具有廣泛的潛在應(yīng)用，暗示著即將出現(xiàn)的充滿希望的機(jī)會(huì)。未來(lái)十年，領(lǐng)跑者將會(huì)出現(xiàn)，導(dǎo)致行業(yè)整合。盡管如此，廣泛的應(yīng)用將確保該技術(shù)有大量的擴(kuò)展和擴(kuò)散的機(jī)會(huì)。

Yole Group 在其新的《硅光子 2023》報(bào)告中估計(jì)，硅光子 PIC 市場(chǎng)到 2022 年價(jià)值 6800 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到 2028 年將產(chǎn)生超過(guò) 6 億美元的收入，2022-2028 年復(fù)合年增長(zhǎng)率為 44% (CAGR2022) -2028）。這一增長(zhǎng)主要是由用于增加光纖網(wǎng)絡(luò)容量的 800G 高數(shù)據(jù)速率可插拔模塊推動(dòng)的。此外，對(duì)快速增長(zhǎng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集大小的預(yù)測(cè)表明，數(shù)據(jù)將需要利用 ML 服務(wù)器中的光學(xué) I/O 來(lái)擴(kuò)展 ML 模型。

大量的數(shù)據(jù)中心需求，特別是在人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 領(lǐng)域，預(yù)計(jì)將推動(dòng)未來(lái)十年的發(fā)展。憑借傳統(tǒng)的以處理器為中心的計(jì)算架構(gòu)和銅互連，基于 3nm 技術(shù)的最先進(jìn)芯片正在接近其物理極限，同時(shí)對(duì)更快數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠搽S之激增。因此，硅光子學(xué)因其能夠促進(jìn)高速通信而成為主要焦點(diǎn)。

包含光纖 I/O 的架構(gòu)可以簡(jiǎn)化計(jì)算節(jié)點(diǎn)和內(nèi)存池之間的訪問(wèn)，利用光纖的扇出功能最大限度地減少訪問(wèn)資源所需的交換跳數(shù)。Broadcom 的戰(zhàn)略計(jì)劃概述了交換芯片的發(fā)展軌跡，預(yù)計(jì)從今年的 51.2 Tb/s（5 nm 工藝節(jié)點(diǎn)）增加到 2025 年的 102.4 Tb/s（3 nm 工藝節(jié)點(diǎn)），并達(dá)到令人印象深刻的 204.8 Tb/s（2 nm 工藝節(jié)點(diǎn)）到 2027 年，這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)可以成為硅光子學(xué)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中進(jìn)步的重要催化劑，為未來(lái)顯著增強(qiáng)數(shù)據(jù)容量鋪平道路。硅光子學(xué)為具有大容量可擴(kuò)展性需求的應(yīng)用提供了一個(gè)多功能平臺(tái)。

其應(yīng)用的主要和最直接的領(lǐng)域是數(shù)據(jù)中心，英特爾在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。第二個(gè)主要的大批量應(yīng)用是電信，例如 Acacia，受益于硅處理的一致和卓越的性能。第三個(gè)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域包括光學(xué) LiDAR 系統(tǒng)，具有巨大的潛力，但面臨成本和 2D 光束掃描挑戰(zhàn)。3D 集成（將兩個(gè)芯片安裝在同一硅基板上）對(duì)于無(wú)縫控制至關(guān)重要。光學(xué)陀螺儀需要相當(dāng)大的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)靈敏的旋轉(zhuǎn)傳感器，這得益于硅基板和氮化硅波導(dǎo)。量子計(jì)算在不斷發(fā)展的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域至關(guān)重要。光計(jì)算是注重效率的任務(wù)的理想選擇，引起了業(yè)界的關(guān)注并有望產(chǎn)生重大影響。

先進(jìn)的光子元件及其醫(yī)療用途集成可以改變醫(yī)療保健，實(shí)現(xiàn)更快、更精確的診斷、治療和患者監(jiān)測(cè)。臨床采用可能需要克服監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)化挑戰(zhàn)?；诠韫庾拥尼t(yī)療應(yīng)用前景廣闊，在各種醫(yī)療保健和醫(yī)療領(lǐng)域具有巨大潛力。將硅光子學(xué)擴(kuò)展到可見(jiàn)光譜顯示了未來(lái)發(fā)展的潛力，提供了廣泛的創(chuàng)新應(yīng)用。

硅光子產(chǎn)業(yè)格局正在圍繞不同的參與者形成，包括：主要的垂直整合參與者（英特爾、思科、Marvell、博通、Nvidia、IBM 等）積極投身硅光子產(chǎn)業(yè)；初創(chuàng)公司和設(shè)計(jì)公司（AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence）；研究機(jī)構(gòu)（UCSB、哥倫比亞大學(xué)、斯坦福工程學(xué)院、麻省理工學(xué)院等）；代工廠（GlobalFoundries、Tower Semiconductor、imec、臺(tái)積電等）；和設(shè)備供應(yīng)商（Applied Materials、ASML、Aixtron 等）。所有這些參與者都為顯著增長(zhǎng)和多元化做出了貢獻(xiàn)。