硅光芯片与电子芯片互补前行 - 深圳电子展

2021深圳国际电力元件、可再生能源管理展览会将于9月9日至11日在深圳国际会展中心（宝安新馆）举行，邀您关注今日深圳电子展新资讯：

　　硅光芯片具有运算速度高、功耗低、延迟低的特点，不需要追求工艺尺寸的极限缩小。在制造过程中，不需要像电子芯片那样严格，必须使用极紫外光刻机(EUV)。

　　目前，科技竞争日益激烈，最受关注的芯片技术日新月异。当IBM开发2纳米工艺芯片的消息还没有传开时，台积电及其合作伙伴宣布在1纳米以下工艺芯片方面取得技术突破。业界普遍认为，人类正在逐步接近电子芯片的物理理论极限。

　　硅光芯片具有运算速度高、功耗低、延迟低的特点，不需要追求工艺尺寸的极限缩小。在制造过程中，不需要像电子芯片那样严格，必须使用极紫外光刻机(EUV)。

　　那硅光芯片能否突破摩尔定律的天花板，开辟新的赛道？

　　技术瓶颈需要突破

　　硅光子技术的概念很早就被提出来了，但做好硅光芯片并不容易。北京邮电大学教授、博士生导师李培刚告诉《科技日报》记者，早在20世纪90年代，IT从业者就开始寻找传统半导体芯片行业的继任者，光子计算一度被认为是未来最有希望的技术。由于技术原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业和学术机构才率先开发硅芯片光学信号传输技术，希望用光通路代替芯片之间的数据电路。李培刚说。

　　硅光芯片制造技术是基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术开发和集成光器件的技术。它结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特点和光子技术超高速、超低功耗的优点，与现有的半导体晶圆制造技术相辅相成。

　　李培刚说，中国非常重视硅光芯片产业的发展。但当初国内高端硅光芯片以设计为主，流片主要在国外。芯片制备周期长，成本高，制约了我国硅光子技术的发展。此外，国外限制了我国芯片技术的发展，采取了一系列措施，对我国硅光芯片企业的发展产生了严重影响。

　　硅光技术的发展主要可以分为三个阶段：一是硅基器件逐渐取代分立元器件，即用硅制作光通信底层器件，达到工艺标准化；二是集成技术从耦合集成演变为单片集成，实现部分集成，然后通过不同器件的组合，将这些器件像乐高积木一样集成不同的芯片；三是光电一体化技术，实现光电一体化。整合光电，实现更复杂的功能。现在硅光技术已发展到第二阶段。李培刚说。

　　在他看来，虽然硅光技术越来越成熟，硅光芯片即将进入大规模商业化阶段，但仍存在需要突破的技术瓶颈，如设计工具非标准化、硅光耦合、晶圆自动测试和切割等。

　　李培刚认为，中国在硅光芯片研发方面取得了技术突破，但在产业化方面，国内硅光芯片产业化技术仍存在结构设计、制造工艺、设备封装和应用设施等问题，需要不断发展和成熟。除了技术本身，硅光芯片的产业化也会受到材料、工艺、设备、软件、人才、市场生态等综合因素的影响。因此，除了投资技术研发，形成良好的产业生态，搭建平台，优化生态，加大产业链上下游合作，对硅光芯片的发展也很重要。李培刚说。

　　硅光芯片在我国发展迅速

　　2017年11月28日，工业和信息化部正式批准武汉建设国家信息光电子创新中心。该中心由光迅科技、烽火通信、恒通光电等国内多家企业和R&D机构参与，汇聚了国内信息光电子领域60%以上的创新资源，承担着解决我国信息光电子制造业关键与共性技术协同R&D和实现首次商业化的战略任务，努力解决信息光电子缺芯的局面。

　　2017年，上海市政府将硅光子列为首批市级重大项目，投入大量资金，布局R&D和硅基光互联芯片生产，旨在打造硅光芯片整个产业链，掌握关键核心技术，让国内企业摆脱对国外供应商的依赖。

　　2018年10月，重庆市政府联合微电子中心有限公司在重庆注册成立，首期投资100多亿元。

　　工业和信息化部2017年底发布的《中国光电器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》指出，目前高速光芯片国产化率仅为3%左右，要求2022年低端光电器件国产化率超过60%，高端光电器件国产化率超过20%。

　　我国硅光芯片在政策支持下发展迅速。2018年1月，国内首个硅光子工艺平台在上海成立，缩小了我国加工制造与国外的差距。

　　中国信科于2018年8月29日宣布，我国首款商用100G硅光收发芯片正式投产。

　　联合微电子中心有限公司于2019年9月实现了8英寸硅基光电技术工艺平台的通线。仅仅几个月后，其自主开发的硅光工艺就达到了很好的水平，并正式向全球隆重发布了180nm成套硅光工艺PDK，这标志着公司在硅基光电子领域具备了全过程自主工艺制造能力，并开始为全球提供硅光芯片流片服务。

　　在国家层面，支持硅光技术的优惠政策层出不穷，地方政府也纷纷入局。上海明确提出发展光子芯片和器件，重点研发和应用硅光子、光通信器件、光子芯片等新一代光子器件，重点研究光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子技术、芯片集成技术和光电集成模块封装技术。湖北、重庆、苏州等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。按照各地的规划，很难看出各地布局的实质性差异。各地将充分发挥原有芯片产业基础，积极引进新企业，尽最大努力发展硅光芯片产业。李培刚说。

　　未来光电将携手共赢

　　硅光技术因其诸多特点，已成为行业的下一个目标。伴随着工业化技术的不断成熟，工业环境的不断优化，我国硅光芯片产业正蓄势待发。
根据英特尔硅光子产业发展规划，硅光模块产业进入快速发展时期。2022年，硅光子技术在每秒峰值速度、能耗和成本方面将全面超过传统光模块。预计硅光子模块的市场增长率为40%，2024年将达到39亿美元，预计将占到整体市场规模的21%。

　　目前光和电在两条“赛道”上，各有各的应用场景。在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成，实现全光计算需要很长时间。李培刚表示，虽然光子集成电路仍处于初级发展阶段，但必然会成为光器件的主流发展趋势。

　　总的来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以取代电子芯片。李培刚说，在制造工艺上，虽然工艺和复杂程度相似，但光子芯片对结构的要求没有电子芯片严格，一般为100纳米级。这大大降低了对先进技术的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈。

　　光有光，电有电。李培刚说，在一些应用场景中，两者之间存在竞争，但更多时候，两者是双赢的。

　　硅光芯片技术目前还没有电子芯片成熟，所以未知的因素很多，以后两者要很好地衔接。李培刚认为，电子集成电路和光子集成电路是互补的。未来，我们可以充分利用光子集成电路的高速传输和电子集成电路的多功能、智能化优势，在新的轨道上取得更好的效果。李培刚说。

文章来源：中国传动网

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