芯片之痛，表面是外击所致，但实际上是内伤在作怪。内伤想要痊愈，外药终是难治，唯有从自身出发，对症下药，才能得以医治。我国现在的处境，需要自己当自己的医生，更需要有关二爷“刮骨疗伤”的勇气。

光芯片一直是我国芯片产业的痛中之痛，在过去很长时间内是一片空白。华为被制裁之后，我国芯片产业谋求自主化的进度加快，光芯片问题变得越来越扎眼。要说起光芯片，我国并不是没有，但产业链薄弱，和国外顶尖水平没得比。尤其是25G及以上速率的高端光电芯片，2017年工信部数据显示，我国国产率只有少得让人叹气的5% 以下，基本上全靠进口才能维持需求。价格多少钱，什么时候发货，都由别人做主。随着下游产品不断升级换代，真是看在眼里，急在心里。

国家出手，刮骨疗伤

光芯片薄弱，我们当然不会坐视不管。在悄然之间，一场光芯片保卫战开始打起。根据云岭光电总经理龙浩回忆：大约在2017年，不知道是谁发起了“集结号”，一批有志之士开始聚齐在一起，投身光芯片制造业，这其中还包括了许多之前流散在全球的顶尖科学家。为什么要回家？一种焦虑萦绕在他们心头：如果再不搞光芯片，说不定哪天就被卡脖子了。

2018年开始，中央以及各省开始加大力度投资芯片产业，出台众多优惠政策来鼓励产业发展。我国对于芯片产业的重视，不仅是一次觉醒，也代表着风雨欲来。在所有人都还在睡觉的时候，有些人已然被“梦中惊醒”。果不其然，不过两年时间，华为被正式断供。同一年，国家制定了五年芯片计划，要在2025年时间实现70% 的芯片自足。我国刚开始不久的光芯片产业，同时迎来了最艰难的阵痛期。

如今，三年之期已到，光芯片到底造得怎么样了？

云岭光电：高端光芯片实现量产

2021年6月6日，长江日报报道，武汉云岭光电企业在5G用25G激光器芯片经过了国际通讯巨头严格的可靠性测试，是国内唯一一家通过测试的全国产化拥有自主知识产权企业。也就是说，云岭光电不仅突破了25G激光器芯片，还实现了产业链国产化。单看结论可能觉得没什么，如果了解其代表的意义，我们就不会这样想了。

为什么说光芯片重要？因为其可以说是光通信的命脉也不为过。光通信主要依赖的是光器件，而光器件中又以光芯片为核心。在光器件中，光芯片的成本占比超过一半，如果是高端光器件，光芯片的成本占比还要在七成左右。一句话，光芯片自主制造能力体现着国家光通信产业的核心竞争力。

掌握了顶尖光芯片，等于掌握了光通信的战略要地。这块领域失守，我国将永远占在下风。而云岭光电的这一突破，至少可以让我国找回反击阵地。目前通信已经发展到5G时代，5G光芯片是主流，其主要分为激光器芯片和探测器芯片，激光器芯片又以25G及以上为高端芯片，其目前被广泛应用在5G基站，数据中心，是东数西算工程的重要基石。

云岭光电实现了高端激光器芯片的突破，但是这还不够。自从去年测试通过，我们就一直期待量产的那一天。终于在今年，我们等到了这个好消息。3月14日，根据长江日报道，云岭光电的车间内，25G高速率正在进行商用量产。这是我国首次在这一领域实现完全国产化。

为什么要说是完全，借用云岭光电有限公司副总经理刘立刚所说的话便是：不管是产品的开发周期，还是生产周期，所有的生产投片都是我们自己来控制，不受制于外部供应链的影响。但这就够了吗？不，光芯片的突破背后有着更大的布局。

多项技术推动，曦智科技强势出击

据了解，成立于2017年的曦智科技(Lightelligence）孵化于麻省理工大学 Dr. Soljacic 实验室，是全球光计算创领者，致力于用光芯片加速数据处理和数据传输，驱动下一代算力跃升。

到2019 年4月，他们发布了全球首款光子芯片原型板卡，并用光子芯片运行了Google TensorFlow自带的卷积神经网络模型来处理MNIST数据集，并将整个模型超过95%的运算放在光子芯片上完成。测试数据显示，光子芯片处理的准确率已经接近电子芯片（97%以上），另外光子芯片完成矩阵乘法所用的时间是最先进的电子芯片的1%以内。

在验证了光子计算的可行性后，曦智科技继续加快脚步，逐渐建立起了完整的技术平台，进一步全面展现光子计算的优势。

首先，从原理上看，曦智科技的方案是通过光来做矩阵的乘积累加运算，也就是他们所说的oMAC。作为一种模拟计算，oMAC能通过光模拟信号代替传统电子进行数据处理，让数据可以加载在光的强度或者相位上面，通过在波导里的传播相互干涉，同时进行运算。

“我们这个方案的主要实现方法是采用和现在电芯片制备工艺CMOS兼容的硅光工艺平台，采用光电协同设计来进行光芯片的设计。”沈亦晨强调。

我们知道，对于光芯片而言，电光调制器是其核心器件，而曦智科技为了实现大规模的矩阵-向量乘法采用了特殊的设计实现了高速调制器的小型化。它不但可以基于马赫曾德尔干涉方式实现光与光之间的干涉，完成光域的矩阵-向量乘法计算。同时对硬件和算法的协同进行优化，让乘法计算的并行能力更强，提高硬件的执行效率，让系统能够以更高的通量进行运算。

在计算速度方面，得益于其本身的特性，曦智科技的光芯片方案完成一个矩阵运算所要花的时间少于电芯片，这就意味着其延时也远远低于电芯片。

最后，因为硅光的工艺对于工艺制程的要求相当低，那就让他们可以在65nm或者45nm的CMOS工艺线上就可以满足现在光芯片、光计算所有的要求。展望未来，硅光技术的迭代也不需要对制程有特别的要求，更多是从其他方面进行技术迭代，比如主频、波长数量还有不同的模式。

其次，曦智科技采用了一个叫做oNOC的技术，也就是片上光网络。

据介绍，通过采用波导代替铜导线的方式，开发者可以轻松地实现片与片之间的数据传输和比较大芯片上光的总线通信。而借助在光芯片上构建一个固定通信网络拓扑的方法，该方案可以通过光相连，实现基于片上光网络的数据交互。

“我们还会采用一些波分复用的方式来传播数据，使其带宽做得更好，能耗也做得更低。至于其延时，则更是远远优于现在电的铜导线，且对距离不敏感。”沈亦晨告诉记者。“它的通用性更强，因为它可以将不同类型的电子芯片和它结合，为像访问存储芯片或者在不同的计算芯片之间提供一个更高速、更低功耗互联的方式。”沈亦晨补充说。从他的介绍我们得知，曦智科技的片间光网络技术可以把片上的东西进一步拓展到多个板卡、更多服务器之间。通过直接用光纤的方式把芯片和芯片直接互联起来，以一种光的方式实现芯片之间的数据传输。

“我们认为光电混合计算是最重要的技术演进点，我们需要做的就是要不断增加单个光芯片上的器件集成度。在过去四年的时间里，从最早的4×4乘法器开始，我们也做了很大的提升，这都体现在我们新发布的光子计算处理器PACE上。”沈亦晨表示。

据介绍，新处理器在单个光子芯片中集成超过10,000个光子器件，集成度较之前的产品提高了两个数量级。来到其频率方面，则也较之前提升了四个数量级，实现了1GHz的系统时钟。在运行特定循环神经网络的时候，该芯片的速度可达目前高端GPU的数百倍。

从具体设计上看，PACE包含了64x64的光学矩阵，核心部分由一块集成硅光芯片和一块CMOS微电子芯片以3D封装形式堆叠而成。对于每个光学矩阵乘法，输入向量值首先从片上存储中提取，由数模转换器转换为模拟值，通过电子芯片和光子芯片之间的微凸点应用于相应的光调制器，形成输入光矢量。接着，输入光矢量通过光矩阵传播，产生输出光矢量，并达到一组光电探测器阵列，从而将光强转换为电流信号。最后，电信号通过微凸点返回到电子芯片，通过跨阻放大器和模数转换器返回数字域。

正是因为这些设计上的改善，使得新处理器的单芯片计算能力超过2019年推出芯片的100万倍。而与目前市场上能买到单个算力最高的英伟达GPU 3080在跑同一个循环神经网络算法时，PACE处理器所花的时间可以做到GPU的1%以内。

未来：光与电的结合

通俗地理解，信息在手机或者电脑里进行处理主要使用电子芯片，但信息的传递是需要光纤的。所以，到这一步就需要进行电光转换。目前，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。

现在英特尔数据中心用的集成半导体激光器，就是将电信号转换成光信号，然后进行数据处理、编码和传输。英特尔每年向全世界输送数千万个这样的集成半导体激光器芯片。光子集成电路相对于传统分立的‘光—电—光’处理方式降低了复杂度，提高了可靠性，能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新网络结构。虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。

在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成的结合，还需要很长一段时间，才能实现全光计算。总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。

刘骏秋认为，从架构上可以看出，光子芯片系统整体非常复杂。光子芯片系统里有光源、处理器、探测器，也需要各种材料之间集成的协同，很少有单个研究单位能够对整个系统进行架构和制备。在制造工艺上，两者虽然流程和复杂程度相似，但光子芯片对结构的要求不像电芯片那样严苛，一般是百纳米级。因此，光子芯片不会像电子芯片那样必须使用极紫外光刻机（EUV）。

光的波长在百纳米到一微米量级，因此限制了光子器件的集成密度。但这同时也意味着，光芯片达到最理想的工作条件并不依赖最先进的半导体工艺制程，比如极紫外光刻机。这大大降低了对先进工艺的依赖，一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。

此外，光子芯片提供了全新的芯片设计架构思路，彻底颠覆原有的设计理念，有更多的设计创意空间。

光有光的优势，电有电的优势。光的优势是稳定，不容易受外界影响。同时这也是光的劣势，意味着人们想操控光，改变它的状态，手段非常有限。在某些应用场景中，两者也有竞争，比如神经网络。但更多的时候，二者是合作关系。光芯片技术目前还没有电芯片成熟，所以未知的因素很多，两者未来应该很好地衔接起来。

对此，中国科学院微电子研究所研究员、集成电路先导工艺研发中心副主任罗军持同样观点。

电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。未来可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。

总结

无论是量子芯片、碳基芯片又或者是光子芯片，对于国内来说都会实现换道超车的途径，所谓条条道路通罗马，这三条道路都可能让国内实现在芯片领域内反超，虽然不知道什么时候能到罗马，但是必须进行努力，不能再落于人后，落后挨打的滋味咱们已经尝够了。

在传统硅基芯片上不管国内厂家怎么进行追赶，都只是在走别人走过的路，且不说能不能追赶上，即使追赶上也无法实现对其超越，一些技术瓶颈很难实现突破，只要突破不了必然会受到限制。所以换道超车是更好选择，就像在汽车领域内一样，实现了换道超车，目前在电动汽车核心的三电技术上国内都处于领先地位。

国内在光子芯片的领先发展对于国内芯片厂家来说是个巨大好消息，虽然新技术的应用还有不少难题需要克服，但是随着越来越多相关企业加入进来，共同推动此技术的研发和应用，相信不久的未来将会得到全面应用，国内芯片实现换道超车将不再只是说说而已。

文章来源：中国科学报，半导体行业观察，互联狗