爭(zhēng)奪光子半導(dǎo)體主導(dǎo)地位的競(jìng)爭(zhēng)

一場(chǎng)爭(zhēng)奪光子半導(dǎo)體領(lǐng)先地位的無(wú)聲戰(zhàn)爭(zhēng)正在展開(kāi)，光子半導(dǎo)體將成為未來(lái)人工智能 (AI)、6G 和自動(dòng)駕駛等尖端技術(shù)的基礎(chǔ)。業(yè)界預(yù)測(cè)，如果英偉達(dá)主導(dǎo)光子半導(dǎo)體市場(chǎng)，它將能夠超越其主導(dǎo) AI 半導(dǎo)體市場(chǎng)所享有的影響力和地位。

日本、韓國(guó)加快光子半導(dǎo)體基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省最近在九州、東北、北海道三個(gè)地區(qū)大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，旨在重振日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。日本還將光子半導(dǎo)體視為這一半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重頭戲。

根據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的《半導(dǎo)體戰(zhàn)略》，日本目前正在推行三階段的半導(dǎo)體重建計(jì)劃。第一階段是確保國(guó)內(nèi)產(chǎn)能，第二階段是確立下一代半導(dǎo)體技術(shù)，最后階段是確立全球未來(lái)技術(shù)基礎(chǔ)。第三階段，日本計(jì)劃重奪半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位，重點(diǎn)是光電子半導(dǎo)體技術(shù)。

隨著日本政府大規(guī)模投資，民間企業(yè)也對(duì)發(fā)展光子半導(dǎo)體表現(xiàn)出積極態(tài)度。

日本最大的通信公司 NTT 正在與國(guó)內(nèi)企業(yè)以及韓國(guó)和美國(guó)企業(yè)合作開(kāi)發(fā)下一代通信平臺(tái)「IOWN」的核心技術(shù)——光半導(dǎo)體。IOWN 有望用于預(yù)計(jì)在 2030 年左右普及的 6G。這需要光子半導(dǎo)體以光代替電子處理并降低功耗。

此次合作的公司包括半導(dǎo)體基板制造商 Shinko Electric Industries 和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器制造商 Kioxia 等日本公司、計(jì)算半導(dǎo)體領(lǐng)域的美國(guó)公司英特爾以及在存儲(chǔ)器半導(dǎo)體方面實(shí)力雄厚的韓國(guó)公司 SK Hynix。

韓國(guó)也正在繼續(xù)努力開(kāi)發(fā)和商業(yè)化光子半導(dǎo)體。
2022 年，韓國(guó)電子通信研究院（ETRI）開(kāi)發(fā)出一種硅光子光子半導(dǎo)體芯片，每秒可傳輸 100 千兆位（100Gbps）數(shù)據(jù)。這是現(xiàn)有電子半導(dǎo)體芯片傳輸速度的兩倍。研究團(tuán)隊(duì)利用核心光子半導(dǎo)體技術(shù)與 Oisolution 共同開(kāi)發(fā)了可在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行 2 公里傳輸?shù)?100Gbps 光收發(fā)器模塊，還開(kāi)發(fā)了鏈接四個(gè)通道以實(shí)現(xiàn) 400Gbps 性能的光互連模塊，驗(yàn)證了其可用性。

2023 年，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院電氣電子工程系金相植教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種新的光耦合機(jī)制，可以將光子半導(dǎo)體器件的集成度提高 100 倍以上。半導(dǎo)體的集成度越高，可以進(jìn)行的計(jì)算就越多，工藝成本就越低。但是，由于光的波動(dòng)性，相鄰元件之間的光子之間會(huì)發(fā)生串?dāng)_，因此很難提高光子半導(dǎo)體的集成度。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的光耦合機(jī)制，并開(kāi)發(fā)出了一種即使在以前被認(rèn)為不可能的偏振條件下也能提高集成度的方法。金相植教授表示：「這項(xiàng)研究的有趣之處在于，它利用了以前被認(rèn)為會(huì)增加光混亂的漏波（具有向側(cè)面擴(kuò)散性質(zhì)的光），反而消除了混亂?！顾a(bǔ)充說(shuō)：「如果我們應(yīng)用這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的利用漏波的光耦合方法，我們將能夠開(kāi)發(fā)出更小、噪音更小的各種光半導(dǎo)體設(shè)備。」

韓國(guó)工業(yè)技術(shù)研究院西南商業(yè)化總部納米技術(shù)指導(dǎo)中心最近成功完成了基于微機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的高附加值光半導(dǎo)體商業(yè)化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，并開(kāi)始全面運(yùn)營(yíng)。該項(xiàng)目于 2020 年 6 月至去年 9 月期間共投入 98 億韓元，其中國(guó)家資金 69 億韓元，市政資金 29 億韓元，旨在建設(shè)基于 MEMS 的光學(xué)半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證、測(cè)試和評(píng)估基礎(chǔ)設(shè)施，以推動(dòng)光學(xué)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過(guò)新安裝等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PE-CVD）、高速蝕刻設(shè)備（Deep RIE）和曝光設(shè)備（Stepper）等 8 英寸對(duì)應(yīng)設(shè)備作為核心設(shè)備，完成了集成工藝線。通過(guò)此舉，預(yù)計(jì)將大大提高該地區(qū)與 MEMS 傳感器和第五代（5G）對(duì)應(yīng)設(shè)備等光學(xué)半導(dǎo)體相關(guān)的中小型公司的技術(shù)水平。

中國(guó)光子芯片企業(yè)落戶天津

中國(guó)第一家光子半導(dǎo)體代工廠中科鑫通在 2023 年年底宣布將在天津建設(shè)中國(guó)第一家光子半導(dǎo)體代工廠。中科鑫通光子芯片代工產(chǎn)線預(yù)計(jì)于 2025 年建成并投產(chǎn)，屆時(shí)將為光通信、數(shù)據(jù)中心、人工智能、微波光子、無(wú)人駕駛、生物傳感以及量子信息等領(lǐng)域客戶提供包括薄膜鈮酸鋰、氮化硅等材料的光子晶圓代工服務(wù)，可為光子芯片產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)宣布，開(kāi)發(fā)了一種利用光子技術(shù)以更低的功耗提高性能的 ACCEL 芯片。研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 ACCEL 芯片由中國(guó)半導(dǎo)體代工廠中芯國(guó)際采用已有 20 年歷史的傳統(tǒng)晶體管制造工藝制造，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下記錄了 4.6 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算（PFlops）的計(jì)算速度。1 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算（PF）相當(dāng)于每秒進(jìn)行 1000 萬(wàn)億次計(jì)算，比 Nvidia 的 A100 圖形處理單元（GPU）快 3000 倍。通過(guò)使用極少的電能，能源效率得到提高。研究人員解釋稱，ACCEL 僅用現(xiàn)有半導(dǎo)體一小時(shí)的用電量就能運(yùn)行 500 年以上。隨著用電量減少，熱量散發(fā)也隨之減少。發(fā)熱量減輕后，小型化就更容易了。據(jù)評(píng)估，該芯片很難立即實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但預(yù)計(jì)通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、電動(dòng)汽車、智能工廠等尖端技術(shù)。
光子半導(dǎo)體的量產(chǎn)也在進(jìn)行研究。據(jù)悉，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種能夠量產(chǎn)的光子半導(dǎo)體量產(chǎn)技術(shù)?，F(xiàn)有的光子芯片由鈮酸鋰制成，但制造難度大，進(jìn)展困難。因此，中國(guó)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)采用了鉭酸鋰，這是一種單晶薄膜，具有與鈮酸鋰類似的電光轉(zhuǎn)換特性，且易于制造。鉭酸鋰是一種用于光學(xué)和電子器件的晶體材料，用于超聲波發(fā)生器、光開(kāi)關(guān)和激光器等領(lǐng)域。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用異質(zhì)集成技術(shù)制造出高質(zhì)量的硅基鉭酸鋰薄膜晶片。此外，還開(kāi)發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件納米加工方法，并以此成功制造出鉭酸鋰光子芯片。

代工巨頭全力推進(jìn)光子半導(dǎo)體商業(yè)化

臺(tái)積電正與英偉達(dá)、Broadcom 等大型無(wú)晶圓廠公司合作，共同開(kāi)發(fā)硅光子和封裝技術(shù)，據(jù)悉，已組建了 200 多人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)。據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，預(yù)計(jì)最早在今年或明年就開(kāi)始量產(chǎn)。

英特爾 2016 年正式推出了基于硅光子的光收發(fā)器，可通過(guò)光纖電纜以 100 千兆位/秒（Gb）的速度傳輸數(shù)據(jù)。英特爾計(jì)劃通過(guò)與以色列半導(dǎo)體公司 Tower Semiconductor 的積極合作，確保光子半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。Tower Semiconductor 是一家專門開(kāi)發(fā) CMOS 傳感器和 PMIC（電源管理半導(dǎo)體）等模擬半導(dǎo)體的代工廠，同時(shí)也擁有自己的硅光子開(kāi)發(fā)平臺(tái)。