光子芯片是什么？未来会取代电子芯片吗？ 第1页

电子芯片发展已有六七十年，产业已经相对比较成熟，在这样的情况下，发展光子芯片依然有非常重大的意义。

※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。

光子芯片能够解决电子芯片解决不了的难题。

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。