從電到光，中國晶片産業向光而行 | 甲子光年

後摩爾時代的中國芯機遇

作者 | 小賢

編輯 | 栗子

傳統電晶片在摩爾定律失效後逐漸逼近性能極限，越來越多的從業者将目光轉向了光。

對比電子晶片，光晶片的特點在于高速率和低功耗。在通信領域，光纖通信在資料傳輸中撐起了5G的覆寫，而計算、儲存領域也給光晶片留出了巨大的舞台。

光晶片遠超電晶片的性能潛力，讓其成為了一條硬科技發展的确定賽道。近幾年，英特爾、英偉達、格芯等海外晶片廠商紛紛出手并購光晶片項目，在新賽道抓緊布局發力。而在國内，華為等廠商也投資了超過十餘家光晶片公司，覆寫産業鍊上下遊。

從技術競争的角度來看，光晶片被認為是與國外研究進展差距最小的晶片技術，被寄予了中國“換道超車”的希望。

北京大學資訊科學技術學院教授，北京大學深圳系統晶片設計重點實驗室主任何進對「甲子光年」表示，從電晶片到光晶片是晶片産業發展的重心。中國依托龐大的應用終端，未來可能在光晶片應用上和國外并駕齊驅。

從電到光，中國晶片産業正在向光而行。

1.後摩爾時代的曙光

半導體密度以每18到20個月翻一倍的速度發展，推動電晶片的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。在過去的50年裡，晶片的算力一直遵循着摩爾定律持續增長。

但如今，計算晶片已經開始從5納米向3納米制程發展，而原子的直徑約為0.3納米，在3納米的制程之後，實體、技術和成本的極限将無限趨近。

雖然算力的增長随着極限趨近而放緩。但随着數字化與智能化的持續普及，人類社會對算力的需求卻依舊在急劇膨脹。

據美國人工智能研究公司OpenAI統計，自2012年，人工智能的算力需求以平均每3到4個月翻一倍的速度增長。如今，最大的神經網絡模型已是10年前的15到30萬倍。

電晶片算力觸碰到天花闆是多種原因造成的。比如當晶片尺寸小于5nm時，可能會帶來“量子隧穿效應”。而且，即使半導體做的更小，單個半導體運算時的功耗也難以降低，産生的熱量無法有效散出。這種實體特性直接決定了機關面積電晶片上能做的計算密度，難以再有提高的空間。

除了把半導體做得更小外，擴大電晶片面積也是以往業界提升算力的方法。但這一做法也會面臨功耗比的問題。晶片面積增大，意味着需要更長的導線，而晶片電能消耗和走線長度成正比，導線功耗過高，無疑是整個系統裡繞不開的瓶頸。最終結果是，把晶片做大，功耗也會随着面積的增大而顯著增加。

電晶片尺寸即将縮小到極限，同時擴大面積亦無法高效提高算力。電晶片在向更高算力尋求突破時的兩條路都已難走通。

此時，光晶片被賦予了突破算力的厚望。

其實幾十年來，科學家們一直緻力于找到一種将光用于資訊傳遞處理的方法。這種對光的探索，甚至比電晶片來得更早。

1960 年，美國科學家西奧多 · 梅曼發明了世界上第一個可見光輸出雷射器，使光學發展出現了重大突破。這意味着人類對光的認識、掌握和利用進入全新階段。

在同一時期，華裔科學家高琨提出用玻璃纖維代替銅導線、用光代替電流的方法。這一突破性技術在落地應用後，便發展成了如今長距離通信中的光纖通信。

回顧光晶片發展曆程，早在1969年美國的貝爾實驗室就已經提出了內建光學的概念。但因技術和商用化原因，直到21世紀初，以Intel和IBM為代表的企業與學界才開始密集合作，重點發展矽晶片光學信号傳輸技術。

光通信發展至今，光在資料傳輸上已經充分證明優勢。目前所有的長距離通信，包括資料中心裡伺服器和伺服器之間的資料都是通過光纖代替銅導線進行的。

而近幾年，人們開始将注意力從光的資料“傳輸”轉移到了“處理”。相對微電子晶片用電信号作為資訊載體，光晶片則用頻率更高的光波作為資訊載體。

相比于內建電路，光晶片在技術上避免了發熱問題，傳輸損耗更低、帶寬更高、時延更少、以及抗電磁幹擾能力更強。這些都是光晶片的巨大優勢。

“今天，我們已經在光纖傳輸中發現了光子用于資訊載體的偉大能力。如果未來晶片系統内部都用光子來傳輸和處理資訊，這是多麼激動人心的時刻。目前看來，光就是最好、最快的媒體。”北京大學資訊科學技術學院教授，北京大學深圳系統晶片設計重點實驗室主任何進說。

目前，矽光技術在傳輸領域已經獲得廣泛應用，在大型資料中心和電信領域承載資訊傳輸的任務。在以雷射雷達為代表的光傳感領域也在逐漸走向成熟。而以矽光晶片為基礎的光計算将有望在未來5-10年，逐漸出現在部分計算場景裡。

在中國晶片産業被卡脖子的背景下，發力光晶片有了另一層“換道超車”的意義。

電晶片的開發是一個厚積薄發的過程，意味着技術落後難以在短時間内“補作業”。何進表示：“中國電晶片技術和國外存在4-5代的差距，但光晶片在全球範圍内還處在研發階段，尚未大規模應用，并未形成代際差異。是以，依托中國自身龐大的應用終端和獨一無二的統一大市場，我們将來有可能在光晶片的産業應用上，和國外實作同步。”

2.一顆光計算晶片的誕生

盡管光晶片的發展被寄予厚望，但過去很長時間裡，光計算卻是一個長期被困在實驗室、高校的技術。2017年，麻省理工學院實體學博士沈亦晨以一篇關于AI計算光晶片重磅論文打開了突破口。

當時，沈亦晨以第一作者身份在《自然–光子》期刊以封面論文的位置發表了內建光子計算的重要學術成果，其概念是把傳統電子信号轉成光信号，讓光信号通過光子晶片，并且控制這些光之間的幹涉。當這些光互相幹涉、以及這些數字發生計算時，整個計算時間就是光線通過晶片的時間：0.1 -0.5 納秒。而同樣大的矩陣乘法，在電晶片上的運算時間要長百倍左右。

這篇論文成為光子計算晶片發展的一大節點，在學界和業界都掀起了巨大反響，投資人、創業者紛紛登門。這也成為了沈亦晨走出實驗室，創立公司的一大推動力。同年，沈亦晨創辦了光子AI晶片公司曦智科技。而該論文第二作者Nicholas Harris在同一個技術領域創辦了Lightmatter。

回憶起當時的場景，沈亦晨表示：“曦智科技算是其中最早起步的公司之一。創立時，連AI晶片都是一個新概念，更不用說光子AI晶片了。是以業界也常常把我們和量子計算這種前沿科技歸為一類。”

随着英特爾、英偉達等業界巨頭在光子計算晶片領域的成果逐漸釋出，貫穿科研到産業、光子AI晶片開始邁出從被質疑到廣泛認可的過程。創業者、市場的信心愈發明顯。5年時間裡，全球範圍内光子AI晶片公司從零星的一兩家，增加到目前的20多家。

據介紹，曦智科技成立至今，公司總融資額超過2.2億美元。以十餘名MIT博士為核心，全球團隊超過200人，辦公室、實驗室分布波士頓、上海、杭州、南京等地。

同期成立的Lightmatter在美國也頗受關注，公開資料顯示，其成立後先後獲得了經緯美國、GV（原Google Capital)、惠普、洛克希德·馬丁、美國國防部的投資，融資總額約1.1億美元。

“光子晶片無疑是行業裡最熱的方向之一。”沈亦晨說。

2021年底，曦智科技推出了基于光子晶片打造的計算處理器PACE，也是全球第一個可以展現出光子優勢的計算系統。據了解，PACE的結構由光晶片和電晶片兩部分組成。電晶片主要進行資料的存儲、數模混合的排程，而光晶片則進行資料的計算。最後，光和電晶片會通過3D封裝技術倒裝的堆疊組成。

PACE光子晶片中內建了超過1萬個光子器件，晶片運作速度 1GHz，與目前市場上能買到單個算力最高的英偉達的GPU3080相比，跑一個特定的循環神經網絡算法，PACE所需要的時間少于GPU所需時間的1%。

沈亦晨表示，這種對比并不是為了在通用性上證明PACE可以跑所有的神經網絡，且速度提升百倍。但PACE的表現說明了光計算優勢的上限和它的潛力。

此外，光晶片的優勢不僅展現在技術本身，在性能的提升方面，光晶片對先進制程工藝依賴性也更小。

沈亦晨表示，矽光晶片不需要對制程有特别高的要求，比如65或者45納米的COMS工藝線就可以滿足現在光晶片、光計算所有的要求。光晶片性能的提升更多是從其他方面進行技術疊代，包括主頻、波長數量還有不同的模式。

嚴格來說，PACE所代表的是電子晶片深度結合的光電混合的運算，而非純光計算。“在可預見的未來時間裡，都會是與電子晶片深度結合的光電混合運算。”沈亦晨表示。

如此一來，PACE在與外部的互動上可以通過電晶片來完成，将所有指令集編譯器和SDK都承載在電晶片上，在軟體方面相容現有晶片的生态。而光晶片部分則承接主要任務的處理器工作，包括線性計算和資料網絡。

沈亦晨表示，曦智即将推出更通用化的計算産品，若将光的互聯和光的計算一起加上去，對第一代産品來說，隻要能表現出3-5倍的算力優勢，就足夠在廣闊應用裡找到巨大的市場空間。

3.矽光時代，中國機遇

光子內建電路雖然目前仍處于初級發展階段，但毋庸置疑，這種發展趨勢已成必然。2021年12月，阿裡巴巴達摩院釋出2022十大科技趨勢，光電晶片也位列其中。

但需要指出的是，光晶片的出現，并非為了完全颠覆與代替電晶片。事實上，光子晶片需要與成熟的電子晶片技術融合，運用電子晶片先進的制造技術及子產品化技術，結合光子和電子優勢的矽光技術将是未來的主流形态。

當下，矽光發展尚不成熟的原因是多方面的。晶片的商用化依賴極長的産業鍊，從設計、制造到後期的送樣和商用，時間周期以數年計。目前矽光內建的工藝尚未成熟，帶來晶片良率低、成本優勢不明顯，以及無自動化設計、設計與工藝脫節等問題，需要産業鍊上下遊共同參與，形成更完善的矽光生态。

“商業化本身是一個持續且漫長的過程，就像第一個智能手機的普及就花了10年時間，光電混合的計算晶片能在未來一兩年内送到客戶手上。但大規模商用、通用性計算産品還需要時間。”沈亦晨表示。

總體來看，當下矽光晶片産業鍊在成熟度上還遠不如電晶片，在晶片巨頭資源傾注下，産業鍊正在快速成長中。以光通信為主，包括光計算、光傳感路線的雷射雷達快速發展，都在驅動着矽光供應鍊越來越成熟。

“尤其是最近兩三年，國際上許多大型晶圓廠，EDA設計公司，封測廠都開始正式布局矽光方向。”沈亦晨表示。曦智科技也正與一線晶圓廠、封裝廠建立戰略合作，推動矽光生态的發展。

中科創星創始合夥人米磊告訴「甲子光年」，“在2013年基金剛成立時，光電晶片在中國屬于極冷門的賽道，放眼望去，隻有科研院所和少數海歸晶片人才從事相關研究工作，也鮮有投資機構問津。”

巧合的是，那一年中國晶片進口規模首次超過了石油。在捕捉到這一現象後，米磊就判斷将來中國的晶片産業極有可能被“卡脖子”。于是光學背景出身的米磊就開始在中國尋找光電晶片項目。

為打造光子産業生态，2015年，中科創星發起了首個光電晶片産業孵化平台——陝西光電子先導院，并投入數億元人民币，購置專業裝置，建設潔淨廠房，招募專業化人才，提供完備的配套服務，幫助早期晶片企業流片。

次年，中科創星又成立了10億元規模的早期基金，專門投向光電子領域。就在這一年，市場環境走向轉折，風靡了近60年的內建電路遭遇了發展瓶頸，巨頭英特爾宣布不再按照“摩爾定律”推出晶片。米磊提出“米70”定律，呼籲大家關注內建光路。

他認為，未來光學成本在産品總成本中的占比至少會達到70%。到時候，光學器件、機械器件、電子器件都有可能會逐漸晶片化，甚至有可能內建到一個晶片裡面。

如今，在中科創星投資孵化的370多家硬科技企業裡面，光+半導體項目就超過了150家，推動中科創星形成了以“光電晶片”為核心的投資布局。

在近期舉辦的EmTech China 全球新興科技峰會上，米磊在分享中表示，過去六十年的科技革命是內建電路和光通信推動的資訊化革命，未來便會是以光子、人工智能、新能源和生命科學為代表的新一輪科技革命。

随着近年來一個個細分技術領域的成熟、實作落地應用，光電産業的發展不斷提速。

2017年，iPhone X搭載3D攝像頭，藏在劉海屏後面的人臉識别技術在手機領域被廣泛接受，作為3D傳感技術核心元件的VCSEL雷射晶片迎來井噴式增長。在自動駕駛領域，雷射雷達作為感覺環節的重要一環，以Quanergy為代表的雷射雷達公司在自動駕駛熱潮中迅速成為獨角獸，也為光晶片帶來更多關注度。

華西證券在一份矽光産業報告中表示，2019年，全球矽光市場規模為4.8億美元，預計到2025年将成長至39億美元，複合增長40%。

“總的來說，電晶片時代是用原創技術去找市場，光晶片則是市場爆發需求，反過來研發原創技術來滿足需求，從這個角度來說，智能時代，我們有新的業态，新的需求，中國比全世界任何國家都有更多的人願意擁抱新技術。”何進說。

他認為，在資訊基礎設施建設和新的IT技術建設層面，中國有更大的市場需求和更多擁抱新技術生态的熱情，應用生态比國外更好，是以中國光晶片産業有可能利用應用生态優勢在光晶片領域形成一定的優勢。

“未來，中國最大的機遇一定是在光子時代。”米磊在采訪中表示，光是人工智能時代的基礎設施，無論是5G的網絡，還是擷取資料的傳感器，總之在通信、工業、消費等大部分領域都需要光晶片來支撐。

“今日光電晶片的發展階段，相當于微電子晶片在上世紀六七十年代的階段，廣闊的市場空間還在等着我們。”米磊說。