近日，英伟达CEO黄仁勋在一场新闻发布会回答媒体提问时表示，摩尔定律已经死亡。他认为："Moore's law is dead. It's completely over.”

在半导体行业，摩尔定律的大名无人不知无人不晓。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。

而芯片产业的现状是同等成本下，芯片性能无法实现每两年翻一倍，所以英伟达CEO面对用户抱怨新发布的GPU价格高昂时，说出了摩尔定律已死。这虽然是英伟达CEO的无奈之言，但也反映了当下芯片依托传统工艺来提升性能的方式已经面临举步维艰的现状。

摩尔定律已死，芯片制程走向物理极限

摩尔定律发展至今已有50多年。在这50多年间，芯片制造商已经使用了各种手段来跟上摩尔定律的步伐，譬如增加更多的核、驱动芯片内部的线程，以及利用各种加速器。但还是无法避免摩尔定律的加倍效应已经开始放缓的事实，不断地缩小芯片的尺寸总会有物理极限。

其实，摩尔定律自2000年以来就有放缓的迹象。到2018年，芯片实际性能与摩尔定律的要求间的差距扩大了15倍。目前的行业预期是，随着CMOS技术接近基本极限，二者之间的差距将继续扩大。

高制程芯片无法成为电子信息行业节能降耗的杀手锏

根据全球电子可持续发展倡议组织（Global e-Sustainability Initiative，GeSI)的估算，2020 年全球行业碳排放占全球碳排放的 2.3%。作为在电子信息行业中应用广泛的芯片，能否通过提升制程而带来整个行业的大幅节能降耗呢？

以生活中使用最频繁的手机为例，高能耗的直接表现就是需要经常的充电。手机作为芯片使用大户，历来对先进制程芯片的需求都走在芯片产业的前沿。以iPhone手机用的A系列芯片为例，根据公开的数据，7nm的A12比10nm的A11功耗下降了50%，5nm的A14比7nm的A13功耗下降了30%，4nm的A16比5nm的A15功耗下降了20%。可以看到芯片功耗的代际收益在逐渐减少，由此推测一下，下一代3nm芯片功耗收益会是多少呢？看来想通过制程的提升带来功耗的大幅下降是不可能了。

另一个例子，日常工作中经常用到电子产品——个人电脑。处理器芯片是电脑耗能的主要部分，占到30%以上。从个人电脑处理器两大豪强Intel和AMD的芯片性能比较来看，10nm英特尔第12代酷睿处理器在性能方面一骑绝尘，i9-12900HX达到了24259，远远高于6nm的AMD最强芯片锐龙9 6900HX。并且通过比较两块芯片的能效（性能/能耗），可以发现英特尔的i9-12900HX（能效为194）比AMD的锐龙9 6900HX（能效为156）高24%。所以，处理器的高制程优势无法给PC CPU带来性能和能效上的领先。

再来看看这几年的热门话题——5G基站。在国家双碳目标的驱动下，运营商和供应商为了给基站节能可谓是使出了浑身解数。在众多的节能手段中，也有厂家宣称通过高制程芯片来给基站节能。但基站跟手机、笔记本电脑还不一样，基站中最耗电的是将直流电源转化为高频电磁波的功率放大器，占整个基站耗电的九成，所以芯片的那点耗电在整个基站中占比很少，芯片升级一代带来的功耗收益就更少了，估计1%都到不了。所以寄希望于通过使用高制程芯片来给基站大幅节能，此路不通。

光子芯片是否会替代电子芯片

在电子芯片发展已有六七十年、产业已经很成熟的情况下，为什么要发展光子芯片？

一是以电子为载体的技术发展已趋近物理极限。当下集成电路是以硅为基础材料的，硅原子的直径约为0.22纳米，当制程降至7纳米以下时，极易出现电涌和电子击穿问题，也就是已经很难完美地控制电子了。虽然代表全球最顶尖水平的台积电仍然在不断地进行3纳米及2纳米的技术研发及产能投资，但业内人士普遍认为集成电路的尺寸微缩最多到2030年就会达到物理极限，亟需寻找创新发展的出路。

二是电子芯片尺寸降到极致时会出现“功耗墙”难题。比如，巨大的耗能压力就是计算机发展的最大技术障碍之一。虽然国内外学术界和工业界进行了大量努力，但由于CMOS半导体功耗密度已接近极限，所以必须寻找新途径、新结构、新材料。

三是过去几十年中处理器的性能以每年约55%的速度提升，而内存性能的提升速度约为每年10%，长期累积下来，不平衡的发展速度造成了当前内存的存取速度严重滞后于处理器的计算速度，访存瓶颈导致高性能处理器难以发挥出应有的功效。简单来讲，就是大量信息存储不过来、计算不过来。

四是电子芯片性能提升的同时，性价比在降低。业界普遍认为，28纳米是芯片性价比最高的尺寸。根据SEMI国际半导体产业协会的芯片主流设计成本模型图，采用FinFET工艺的5纳米芯片设计成本已是28纳米工艺设计成本的近8倍，更复杂的GAA结构的设计成本只会更高，这仅是芯片设计、制造、封装、测试中的设计环节。制造环节的晶圆代工厂的研发、建厂、购买生产设备耗费的资金会更多，比如三星在美国得克萨斯州计划新建的5纳米晶圆厂预计投资高达170亿美元。

那么，光子芯片能够解决电子芯片解决不了的难题吗？

有物理基础的人应该知道，电子是费米子，是有质量的物质，所以在传输信号时会因为质量的惯性产生较多的能量损耗；光是玻色子，是物质之间的相互作用力，静止质量为零，传输信号时能量损耗小。

与电子相比，光子作为信息载体具有先天的优势：超高速度、超强的并行性、超高带宽、超低损耗。

一是在传输信息时光子具有极快的响应时间。光子脉冲可以达到fs量级（飞秒量级），信息速率可以达到几十个Tb/s，性能能够提升数百倍。二是光子具有极高的信息容量，比电子高3~4个量级。采用光交互系统的新型使能技术可以实现低交换延迟和高传输带宽。三是光子具有极强的存储和计算能力，能以光速进行超低能耗运算。四是光子具有极强的并行和互连能力。光子是玻色子，不同波长的光可用于多路同时通信。五是光子具有超低的能耗表现。1bit信息的能耗，光子器件比电子器件低3个数量级，仅为电子器件的千分之一。

如今，科学家们的期望，就是能够像芯片控制电子那样可靠地控制光子，以获得更好的性能。

以能耗的视角来看，目前以集成电路为基础的数字产业能耗与日俱增，据测算未来五年它可能会发展至消耗掉全球20%的电力供应。如果没有技术变革或突破，未来人类极有可能要在信息数据和能源之间做出选择。而以光子芯片为基础的技术路线，理论上有望将数字产业能耗降低至电子芯片的千分之一。因此，发展更为节能的光子技术，也是实现碳中和目标的关键一环。

同时，光子技术的应用并不局限于芯片，其发展还可能推动人类更好地利用最大的“光子发射器”——太阳，以进一步挖掘能源领域的潜力。

根据底层的科学逻辑，可以预见光子学、光子技术、光子产业将和电子学、电子技术、电子产业一样高速发展。值得注意的是，虽然光子和电子相比有上述提及的优势，但从产业发展角度来看，光子对电子并不是替代关系，准确地讲光子产业是对电子产业的升级，能够催生新的产业。

光子能够对现有的电子芯片性能进行大幅度提升，解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题。更为重要的是，过去电子芯片主要应用于计算和存储领域，而光子芯片可以在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储及信息显示等领域催生众多新的应用场景。

在信息获取方面，激光雷达、光传感将在人工智能、自动驾驶、物联网等领域形成新的应用场景。在信息传输方面，形成了5G、光通信、量子通信等为代表的应用场景，产业规模巨大。在信息处理方面，形成了光子计算、量子计算等应用场景，未来将大幅度提升计算机性能。在信息存储方面，5D激光存储、光收发模块等将形成云计算与大数据中心等新的应用场景。在信息显示方面，将形成VR、AR及microLED等新的信息显示应用场景。此外，光子芯片在生命健康、超导材料以及国防装备等方面，将形成神经光子学、免疫分析、高超音速武器等新的重大应用场景。

可以说，信息时代的基础设施是电子芯片，人工智能时代将更多地依托光子芯片，光子芯片是未来新一代信息产业的基础设施和核心支撑。

硅光芯片应用趋势

近期，云计算与人工智能的大爆发让光子传输的优越性得以凸显。在通信场景，由于大型分布式计算、大数据分析、云原生应用让数据中心内的数据通信密度大幅提升，数据移动成为性能瓶颈。传统光模块成本过高，难以大规模应用，硅光芯片能够在低成本的前提下有效提高数据中心内集群之间、服务器之间、乃至于芯片之间的通信效率。在计算场景，据OpenAI统计，自2012年，每3.4个月人工智能的算力需求就翻倍，摩尔定律带来的算力增长已无法完全满足需求，硅光芯片作为解决方案的价值得到广泛的期待。

尤其需要注意的是，光通信与光计算相辅相成，光通信中的光电转换技术会在光计算中得到应用，光计算要求的低损耗、高密度光子集成技术也会促进光通信发展。两者的结合最终会让数据计算和传输都在光域完成。

尽管光子元器件、硅光制程技术都在近期取得突破，硅光技术的成熟还需要解决一系列问题。首先，硅光芯片的设计、封装等环节尚未标准化和规模化，其产能、成本、良率优势还未显现；其次，光计算的精度仍低于电子芯片，集成度也需要进一步提高。

光电融合是未来趋势，硅光子和硅电子芯片取长补短才能促进算力提升。未来三年，硅光芯片将支撑大型数据中心的高速信息传输；未来五到十年，以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片在部分计算场景中的角色。

光子芯片是中国的重大战略机遇

科技发展史印证了一个事实：谁能抓住一个时代的革命性技术，谁就能够成为一个时代的领航者。英国利用机械革命实现了对古代中国的超越，美国利用电子技术实现了对英国的超越。中国要实现新的超越，应抓住光子技术革命的重要机遇。

一轮科技革命红利扩散的周期大约为60年。从20世纪60年代开始，集成电路作为革命性技术推动了信息化的发展，到现在已经过去了60年，开始进入科技红利扩散的衰退期。2008年以美国次贷危机为代表的全球经济衰退，本质上就是上一轮科技革命推动力衰退的体现。

当下全球经济发展急需新一轮科技革命的驱动。作为集成电路的“非对称性”技术，光子芯片有望成为信息领域新的底层技术支撑。

目前，全球光子芯片产业刚刚起步，作为独立于电子集成技术的新集成技术，其技术壁垒还没有形成，这为我国光子芯片提供了足够的研发时间与市场空间，也为我国信息产业发展提供了巨大的机会。

近年来，我国在光子集成方面取得了一定的进展，着眼于光子集成技术实施了一系列重大研究计划，包括973、863、国家自然科学基金重大项目等。虽然过去国内在相关技术领域处于落后状态，但随着研究基础的加强及技术人员的不懈努力，目前国内已经具备了光子集成芯片研究条件，并且拥有巨大的光子芯片市场前景。

芯片由电到光的转换，是我国实现赶超的战略机遇。

在基础理论方面，中国与美国基本处于同一水平。现代光学理论源于爱因斯坦的原子辐射研究，基于爱因斯坦的研究设想，美国科学家于1960年发明了世界上第一台红宝石激光器。1961年，中国科学院长春光机所就研制出了中国第一台红宝石激光器。自现代光学产生以来，我国始终保持着持续的投入和研究，在基础理论研究方面一直与美国齐头并进。

在技术方面，中外各有优势。比如，在光子集成技术研究方面，我国中科院西安光机所、中科院微电子所、中科院半导体所、上海微系统所和上海交大、清华大学、浙江大学、华中科技大学等都进行了长期研究，国家针对光子集成技术也实施了一系列重大研究计划，在光子集成技术方面取得了很大的成就。目前世界上最高的光子集成规模为2014年实现的单片集成超过1700个功能器件。我国2016年启动的B类先导专项——大规模光子集成芯片致力于开发集成器件大于2000的大规模光子集成芯片，并最终实现了15408个器件的大规模集成，集成规模世界领先。在光子芯片设计水平方面，我国处于世界一流水平。曦智科技设计出了全球首款光子计算芯片原型板卡，最新的单个芯片可集成12000个光子元器件，一些算法的实测性能已超过英伟达gpu的100倍，在光子计算领域领先国外。洛微科技发布了目前集成度最高的多通道FMCW激光雷达SoC光子芯片，单个芯片上可集成3000多个光子元器件。

在产业化方面，全球还处于起步孕育期，产业生态尚未形成，美国仅具有微弱优势。美国于2004年首次实现大规模光子集成，2017年下半年英特尔开始大批量供应100G产品，标志着光子集成真正进入到主流应用领域。我国于2012年进入规模化集成阶段，与美国差距不大。

总体而言，相较于美欧在集成电路、机械等领域拥有数十年的积累优势，我国在光子芯片领域与国外差距较小，与美国的差距仅有5~10年。随着国内相关技术的快速发展，中外差距正日益缩小，且我国在局部已具有领先优势。目前全球光子芯片产业尚未成熟、定型，世界上还没有任何一个公司、任何一个国家构建出光子集成生态，这也为我国在“后摩尔时代”换道超车提供了巨大空间。

文章来源： 阿里云研究院，新华社，极客网