随着信息技术的发展，计算机工业已经成为现代经济中不可或缺的一部分。而在这个领域，芯片则是基础设施之一。

近年来，由于各种因素，中国的芯片产业得到了迅速的发展。其中，光子芯片技术的突破，更是引起了广泛的关注。

相较于传统的电子芯片，光子芯片采用了光子学原理，将信息通过光信号的传输进行处理，具有高速、低能耗等优势。而中国的光子芯片技术，已经取得了世界领先的成果，与美国等国家相比，其速度甚至快了1000倍以上。

首先，中国的光子芯片在传输速率上已经达到了T级别。在2021年9月，中国科学家在国际知名学术期刊《自然》上发表论文，详细介绍了他们设计并制造的光子芯片，该芯片可以实现每秒钟26.3万亿次的操作，这已经是目前世界上传输速率最快的芯片之一。与此同时，该芯片仅需10皮瓦（Pw）的功率就能正常运转，相较于传统电子芯片需要的数瓦量级的功率，具有极大的能源效益。

其次，在应用领域上，中国的光子芯片也取得了重要进展。例如，在量子计算、光通信和激光雷达等领域，中国的光子芯片已经开始应用，并取得了良好的实验效果。其中，量子计算是当前人工智能、加密安全等领域最热门的技术之一。而中国的光子芯片，在量子计算方面的应用，已经走在了世界的前列。

目前，中国已经拥有包括华为、中兴通讯和长飞光纤等在内的多家光子芯片企业。未来，中国的光子芯片技术还将得到进一步的提升和应用，为信息技术的发展带来更为广阔的空间。

科学家研发新型光子芯片

据荷兰特温特大学（UT）独立新闻媒体U Today 3月14日报道，该校非线性纳米光子学小组的教授David Marpaung和他的团队设计了一种高性能新型光子芯片。该芯片可以用光波和声波的组合来处理数字信息，这种下一代芯片相较与基于电流的传统芯片，体积更小、信息传输量更大、精度更高、能耗更少。

“基于光的芯片体积更小，可以打包和处理更多信息，同时消耗的能量比传统芯片少得多，”Marpaung说，“这些优势对于大型数据中心尤为重要，数据传输的限制和巨大的能源成本正成为日益严重的问题。” 另一个优势是它们可以顺利集成到现有电子设备中，因为它们的基本运行方式与传统芯片类似。

然而，改进当前的光子芯片是有可能的。科学家们发现，当声波与光波结合时，它们的相互作用可能会促成比光子芯片更好的信息管理和传输。“当你在光子芯片中引入声波时，声波本质上是一种比光波传播速度慢得多的机械波，就会出现一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung说，“声波较慢的传播速度使得处理信息的准确性和分辨率高得多。它使您可以更轻松地滤除噪音、放大信号和选择您想要保留的信息或数据。这可能会使信号更清晰、噪音影响更小。”

在微型芯片中引入声波本身就是一个挑战。科学家们设法通过使用两束不同频率的激光束来做到这一点。通过将激光束对准光波导内部，它们会相互影响，在某些点，激光束会相互削弱，而在其他点，它们会相互增强，这一过程称为光的干涉。

“在激光相互增强的地方，它们会产生一种作用力，就像锤子一样，”Marpaung解释道，“这种力量短暂地压缩了光通道的材料并产生了某种‘砰’，声波诞生了。” 声波与光一起穿过光波导，压缩周围的光通道材料。这种压缩也会影响和改变光的传播速度。因此，通过调制声音，科学家们还可以操纵穿过芯片的光波，从而处理基于光的信息传输。

虽然理论成立，但在实践中仍存在一些问题。Marpaung教授和他的团队提出了一种出色的标准光波导替代设计，解决了光波和声波不能有效结合的问题。Marpaung教授解释说：“我们制作了一种波导，在玻璃外壳内包含的不是一个而是两个氮化硅核心。” “当光线穿过这两个核心时，核心之间会有一些光泄漏到玻璃外壳中。如果我们也在核心之间创建声波，引导它进入玻璃外壳内部，就能将声波和光波保持在一个空间中，让声音干扰光。

Marpaung教授称，该解决方案的优点在于，基于稳定成熟的设计光波导可以轻松修改以适应更多应用。“这个新设计基本上是原理的证明，”Marpaung还说，“在对我们的基本设计进行修改和缩放之后，将会有很多应用出现，因为声波可以以高分辨率和高精度过滤和选择信息。例如，它可以用于太空和国防技术、下一代通信技术，还有量子计算机。

光芯片为计算卡装“涡轮增压”

近年来，随着大数据的产业化应用，数据中心的能耗问题，一直被各级政府、产业界和数据中心运营方所关注。采用光学计算芯片应用于数据中心服务器，提供低功耗的算力，相较于传统的GPU方案，现阶段的技术水平可以将功耗控制到十分之一。

瞄准“降低大数据算力能耗”这一目标，早在2020年，光子算数团队就在业内率先开展了技术应用初步验证，并推出了基于自研光计算芯片的“光电融合AI加速计算卡”，也成为国内最早尝试将光子芯片商业化的企业之一。

白冰介绍说，所谓“光电融合AI加速计算卡”，就是利用光电混合原理和技术，让数据在光电两部分中完成“流动”，执行一个完整的计算过程的混合AI计算硬件系统。

在技术架构上，计算卡一半是电学部分，包含逻辑控制、缓存和与光学芯片相配合的定制化IP。另一半是光学模组，除了光学计算芯片外，还有一颗DFB激光器芯片，以及小型的控制、电源芯片等组件。

目前计算卡可做到30-80路1080P视频同步处理，功耗不到100W，在混合精度下峰值算力接近120TOPS，已经实现了商业化应用，被应急管理部信息研究院、中国电子科技集团某公司等企业应用，随着技术的迭代还将不断优化提升算力。白冰做了一个形象的比喻：“加上光子协处理引擎模块，相当于给传统计算卡加了一个‘涡轮增压’。”

以光子算数为代表的光子芯片企业快速发展背后，离不开政策、产业生态和平台的支持：《北京市关于促进高精尖产业投资推进制造业高端智能绿色发展的若干措施》当中，明确提出要抢先布局光电子、前沿新材料、量子信息等领域未来前沿产业。并支持中外机构联合建立双向创新平台、项目服务平台、投资平台。这为电子城IC/PIC创新中心的快速发展，奠定了良好的基础。

文章来源： 科技北京，芯东西，大湾区创业志