光量子芯片不需光刻机吗？摆脱光刻机限制

光量子芯片不需光刻机吗？摆脱光刻机限制首先是光子芯片有望突围电子芯片的摩尔定律瓶颈。它带来的变革之处在哪里？光子芯片的变革之处光子芯片的概念有两种，一种是光量子芯片，一种是硅光芯片，目前更多是指的硅光芯片。从技术层面来看，光子芯片与集成电路芯片相比存在多处不同。从原理层面，电子芯片是利用电子来生成、处理和传输信息的，光子芯片则是利用光子来生成、处理、传输并显示信息的。

文/王新喜

日前据北京日报消息称，国内首条“多材料、跨尺寸”的光子芯片生产线已在筹备，预计将于2023年在京建成，可满足通信、数据中心、激光雷达、微波光子、医疗检测等领域需求，有望填补我国在光子芯片晶圆代工领域的空白。

据报道，光子芯片计算速度快，是电子芯片的1000倍，更重要的是，光子芯片不需要光刻机，使用中国已有的原材料和设备就可以生产。

问题来了，摆脱EUV光刻机限制，光子芯片能不能成？

光子芯片的变革之处

光子芯片的概念有两种，一种是光量子芯片，一种是硅光芯片，目前更多是指的硅光芯片。

从技术层面来看，光子芯片与集成电路芯片相比存在多处不同。从原理层面，电子芯片是利用电子来生成、处理和传输信息的，光子芯片则是利用光子来生成、处理、传输并显示信息的。

它带来的变革之处在哪里？

首先是光子芯片有望突围电子芯片的摩尔定律瓶颈。

在过去近50年里，晶体管的密度可以每18-20个月翻一倍，从物理的角度来讲，当半导体制程达到3纳米后，已经非常接近物理极限。这也限制了底层的算力发展。

数据显示，今天最大的神经网络的模型大概是2012年的15-30万倍左右，并且还在持续增长，但是有明显受制于算力底层限制的趋势，换言之，底层算力制约了人工智能的进一步发展。

而光子芯片被认为是适合解决电子芯片困境的底层技术。从制备而言，光子芯片的制备流程与集成电路芯片有相似之处，要在系统中发挥作用，也离不开电芯片。二者与 PCB、结构件、套管进一步构成光器件，并以此为基础加工为光模块实现最终功能。

根据行业技术人员的说法是，硅光芯片作为一种底层的硬件支持，采用的是光电混合结构，和软件相关的都是数字芯片，所有的指令、编译、软件，首先会加载到数字电芯片上面，数字电芯片会把这些指令和交互点做一个切分和分解，它只需要在编译器和底层驱动上添加一些新的功能。绝大部分的非线性指令、一些数据的调度指令，都是基于现有数字电芯片去做的。

从软件和生态适配的角度来讲，它能达成的能力与现有生态是一样的，但材料变了，核心传输模式变了。

它用光来传输数据，光子芯片的材料更多是InP、GaAS等二代化合物，而集成电路一般采用硅片。有数据显示，从物料成本来看，光芯片约占中端光模块物料成本的 40%，一些高端光模块中它的物料成本甚至能占到 50% 以上。

类似于电动车的发动机和能源系统用的是电池，燃油车用的是汽油。

而光子芯片在通信领域、数字搬运层面有更好的优势；其次，光的矩阵乘法并行能力要远强于电子芯片、延时远远低于电芯片，更适合AI大数据的线性运算需求，并且光在传播的时候避免了发热，降低了功耗，因此带来了更好的性能，从数据来看，光子芯片的计算速度较电子芯片快约1000倍。

相比于电子集成电路或电互联技术，光子集成电路与光互连展现出了更低的传输损耗 、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力。

不同于电子芯片侧重光刻环节，而光子芯片侧重外延设计与制备环节，而非光刻环节，不再依赖先进工艺。这也决定了光子芯片行业中，IDM模式是主流，国产光芯片典型玩家均选择了 IDM 模式，如仕佳光子、长光华芯、源杰科技。

IDM 模式的好处是能够灵活调整产品生产过程中各种工艺参数；高效排查产品设计、生产、测试等环节的问题。目前IDM 模式下，国内已经实现自主可控。

从这个角度来看，光子芯片是一种不同的东西，类似一种光学材料革命，制造的原材料与技术路径已经变了，光子芯片使用我国已相对成熟的原材料及设备就能生产，而电子芯片尤其是高端芯片就必须使用EUV高端光刻机。

光芯片对比电子芯片，类似于从燃油车发动机、变速箱到电动车电机、电池到电控的一种变革，存在替代EUV光刻机的一种新的可能性。

突围光刻机的另一种可能性：光芯片一个长周期的研发过程

尽管如此，对于光子芯片而言，生产制造是难点。它需要相当成熟的设计流程与生产工艺，它的工序难点涉及到MOCVD 外延生长、光栅工艺、光波导制作、金属化工艺、端面镀膜、自动化芯片测试、可靠性测试验证等环节，其中，外延工艺是光芯片生产中最主要和最高技术门槛的环节，还需要更多时间去打磨上下游产业链。

此外，要在软硬件方面兼容现有的生态，包括和一线晶圆厂、封装厂建立长期的研发融合合作，把上下游供应链做到成熟，不能有明显的短板。这个时间，不是一年、两年之内就能完成。毕竟，国内在光电芯片设计工具、基础工艺和制造装备等产业基础方面配套能力还存在不足。

在中科鑫通总裁隋军看来，国内企业在集成电路方面仍处于补短板的阶段。目前的光子芯片产业发展中依然没有摆脱在设计和应用领域规模较大，而在设备、制造、封测等基础领域实力弱小的局面。

但由于光子芯片产业处于前期发展阶段，全球面临的局面是一样的，技术壁垒还没形成，国内还有足够的时间去完善基础领域的供应链。

从产业发展角度来看，光子芯片对电子芯片其实并非替代关系，而是融合关系，通过一种全新的材料革命，对原有电子产业进行升级，是实现突破摩尔定律限制的一项技术，它有望带动新的产业，规模型发展是大势所趋。也因为如此，芯片由“电”到“光”的转换，是国产芯片实现突破的另一种新的技术路线。

一直以来，中国芯片发展一直受制于欧美国家，不过，欧美制裁的是电子芯片，但从目前来看，国内并不是沿着电子芯片原有的路径去突破，而是通过材料技术革命，转向了其他方向，就好比在燃油车时代，日本欧美在发动机、变速箱上建立了很高的壁垒，但中国转向了电动车方向突破。

如今，光子芯片只是其中的突破口之一。其他的突破口还包括石墨烯芯片、Chiplet技术等，也就是说，还存在B计划与C计划。

如果光子芯片的路子能够走通，就意味着光刻机的核心壁垒就已经绕过去了，作为实现不同的路径，电子芯片也卡不住了。

目前国内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有一定的成就。

比如根据新华社早前报道，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。

此外，在光子芯片设计水平方面，我国也处于世界一流水平，比如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国外。自从中国研究出全球首款光子芯片以来，光子芯片技术已具备一定的领先优势。

光子芯片符合芯片产业的升级逻辑

光子芯片的路径如果能够跑通，可能会引发全球范围内的相关公司在这一市场产业去争夺话语权，事实上，当前英伟达已经下场开发硅光子集成研发项目，在图形硬件上使用COUPE硅光子芯片异构集成技术。

从这个意义来看，原有以光刻机为核心的电子芯片基础产业可能正在迎来变局。

尤其是从目前的行业动向与变局来看，许多国家也在试图寻找光刻机替代方案，比如日本NIL量产技术、英特尔的新3D堆叠、多芯片封装技术以及俄罗斯的X光的光刻机技术。一旦替代EUV光刻机成为一股暗潮，芯片产业迟早会逐步走入一条新的技术路线。

从目前来看，光子芯片突围的可能性更大，因为从产业发展来看，电子产业是包含电子回路、电子集成、电子系统、电子工程。光子产业是包含光子学、光子回路、光子集成、光子系统、光子工程。

电子芯片更多应用与通信领域，光子芯片当前已经应用于工业、消费电子、汽车、人工智能等领域，在人工智能领域，光子芯片可应用于自动驾驶、语音识别、图像识别、医疗诊断、虚拟现实等场景。

光子芯片的性能突围其实也对应了产业升级的路径，从这个产业升级的底层的逻辑去判断走向的话，电子芯片与光子芯片可能分别代表信息时代与人工智能时代的基础设施，当电子芯片走入到摩尔定律的极限与顶端，技术的发展趋势就不会沿着原有路径一直走下去，而是会在岔路口出现新路。

从这个角度来看，从电子产业到光子学时代的发展，利用微光子技术进行元器件的大规模集成也将是一个趋势方向之一。

从国人的期待来看，非常期待在芯片、光刻机领域能够早日打破卡脖子的问题，从今天国内各方面的进展与突破来看，未来的3~5年，光子芯片可能会有明显的进展与突破，我们拭目以待。

作者：王新喜 TMT资深评论人 本文未经许可谢绝转载