硅光子竞赛

新技术前沿的曙光

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在半导体技术领域，竞争异常激烈，一场悄然的革命正在进行中。当世界专注于传统微芯片制造时，中国正稳步朝着不同的方向前进——光学芯片领域。这项新兴技术使用光而不是电子来传输数据，有可能重塑全球技术竞争的格局。

“当无法通过障碍时，绕过它”——中国采用了这种半导体开发方法。面对西方国家对先进芯片制造设备获取日益增加的限制，中国科学家加快了他们在硅光子学领域的工作——这项技术可能使他们能够跨越现有障碍并改变竞争格局。

为什么光学芯片很重要

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光学芯片使用光而不是电子来传输数据，具有许多优点，例如更高的速度、带宽和能源效率。硅光子学集成了基于硅的光子组件，利用了现有的半导体制造工艺。

想象一下，在不到一秒钟的时间内下载一部完整的 4K 电影，或者在短短几个小时内训练一个通常需要几周时间的人工智能模型。光学芯片使这些场景成为可能，与电子芯片相比，它具有三个关键优势：

• 极速：数据以光速传输，而不是电子的速度
• 无与伦比的能源效率：显著降低功耗和发热量
• 卓越的带宽：能够同时处理更多数据

随着传统电子芯片在性能和能源效率方面接近其物理极限，光学技术正成为下一代计算需求最有希望的解决方案。对于中国来说，掌握这项技术不仅仅是科学成就的问题，它是在关键领域实现技术自给自足的途径。

这项技术有潜力克服传统电子芯片的局限性，尤其是在人工智能和高性能计算 (HPC) 等数据密集型应用中。光学芯片可以超越传统电子电路的局限性的可能性是全球对这项技术感兴趣的主要驱动力。

中国实验室的突破性成就

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将光与硅集成

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在武汉市，来自 JFS 实验室的科学家们完成了一项被许多人认为是根本性挑战的任务：成功地将激光光源直接集成到硅芯片上。这项成就——中国同类首创——代表了硅光子学发展中的一个关键里程碑。

JFS 团队在政府 12 亿美元资金的支持下，使用异构集成技术将磷化铟激光器连接到 8 英寸 SOI 晶圆。这是一项技术壮举，直接解决了芯片之间数据传输中最显著的瓶颈之一。

用光打破速度记录

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与此同时，复旦大学的研究人员创造了一些非凡的东西：一种集成的光子高阶复用器芯片，能够以每秒 38 太比特的惊人速度传输数据。从这个角度来看，这单个芯片每秒可以传输 4.75 万亿个人工智能模型参数——本质上使人工智能系统能够以空前的速度处理信息。

这项突破直接解决了大规模人工智能模型训练、数据中心连接和高性能计算中的关键挑战，同时具有卓越的能源效率和最小的延迟。

光学 AI 加速器：效率提高数千倍

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清华大学的研究人员也不甘示弱，他们开发了专门为 AI 应用设计的光学芯片。他们的“太极二号”光学芯片能够对光学计算系统中的大型神经网络进行高效而精确的训练。

上一代“太极一号”芯片已经在 AI 任务中展示了令人印象深刻的面积和能源效率。然而，也许最值得注意的是他们的 ACCEL 芯片，据报道，它处理计算机视觉任务的速度提高了 3000 倍，而功耗却比最先进的 GPU 低 400 万倍。

从实验室到工厂：建立制造能力

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如果没有大规模生产的能力，科学突破毫无用处。中国正在通过在上海交通大学旗下的无锡光子芯片研究院启动国内第一条光子芯片制造试点生产线来正面应对这一现实。

该试点生产线计划年产量达到 10,000 片晶圆，并支持铌酸锂光子芯片的完整、封闭式生产周期，以及硅和氮化硅工艺。第一套 PDK（工艺设计工具包）将于 2025 年第一季度发布，从而能够提供外部芯片制造服务。

与此同时，材料方面的突破正在为大规模生产铺平道路。山东恒源半导体科技有限公司已成功开发出 12 英寸光学级铌酸锂晶体——光子芯片的关键材料。上海微系统与信息技术研究所的研究人员创造了一种可以大规模生产的新型“光学硅”。

不断增长的生态系统：公司和机构推动创新

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中国的光学技术格局的特点是公司和研究机构的生态系统迅速发展：

领先公司

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从华为等老牌科技巨头到 Centera Photonics 和 Sourcelight Technology 等专业公司，数十家中国公司正在大力投资光学技术的各个方面——从组件和收发器到专用芯片开发和制造。

研究强国

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中国大学和研究机构走在前列，清华大学在光学 AI 芯片研究方面处于领先地位，复旦大学开发高阶复用器芯片，上海微系统与信息技术研究所在“光学硅”芯片方面取得突破。

表 1：中国光学芯片技术领域的领先公司

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改变行业的应用

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JFS 实验室开发了一种与激光器集成的硅光子芯片，可为数据传输提供快速、低电阻的光学连接，有可能超过摩尔定律的限制。复旦大学开发的高阶复用器芯片实现了片上通信的超宽带宽（38 Tbps），这对于大型 AI 模型和数据中心至关重要。清华大学的“太极”和 ACCEL 芯片在 AI 应用中的能源效率（太极二号比 Nvidia H100 好 1000 倍，ACCEL 在视觉任务中的功耗低 4,000,000 倍）和处理速度方面均得到了显著提高。

中国光学芯片的潜在应用涵盖了许多关键领域：

• 电信和 5G 网络：提高 5G 基础设施中的数据传输速度和效率。中国也在开发的微波光子学可能会显著改善电信系统。
• 数据中心和云计算：提高数据处理能力的性能和能源效率。光学互连可以缓解 AI 计算中的 I/O 瓶颈。
• 人工智能和机器学习：加速 AI 计算和模型训练。这包括大型语言模型 (LLM) 和 AI 生成内容 (AIGC) 中的应用。
• 量子通信：支持量子技术的进步。
• 高级传感器：在自动驾驶汽车和工业自动化中启用激光雷达。
• 航空航天：增强激光遥感和激光通信能力。
• 高性能科学计算：加速复杂的科学计算。

表 2：中国光学芯片技术关键进展的比较

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中国如何与全球竞争对手竞争

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据报道，中国对包括光学计算在内的下一代芯片制造技术的研究投入是美国的两倍多。中国在该领域高被引出版物的数量也处于领先地位。一些人认为，中国在硅光子学领域的进步可能使他们能够“换道超车”并在半导体领域超越美国。

然而，美国正在积极寻求限制中国获取先进的半导体技术和设备。一些分析师认为，中国在整体半导体制造方面仍然落后于美国和台湾。台积电副总裁指出，硅光子学可以解决 AI 中的能源效率和计算能力问题。

显而易见的是，虽然美国及其盟友在传统半导体制造方面保持着主导地位，但它们也在积极投资硅光子学，认识到其战略重要性。

前进之路：挑战与机遇

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尽管取得了重大进展，但中国仍然面临着严峻的挑战：

技术和制造挑战

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• 硅光子学的广泛应用仍然存在技术障碍
• 将科学突破商业化为大规模生产的产品可能很困难
• 还需要开发针对光学计算优化的软件和操作系统
• 中国仍然面临着获取先进半导体制造设备的限制，例如 EUV 光刻
• 使用旧设备生产先进芯片的成本更高

战略机遇

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• 光子学提供出色的速度、能源效率、可扩展性和带宽
• 它可以构成未来许多技术进步的基础
• 中国有潜力在该新兴技术中占据领先地位
• 硅光子学可能是 AI 和 HPC 发展中的一项关键技术
• 它可以帮助中国减少对外国半导体技术的依赖

中国光学芯片市场：投资、生产和增长预测

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在中国，已启动了一项国家支持的价值 475 亿美元的芯片产业投资基金。“中国光谷 (OVC)”在光子学领域看到了大量投资。JFS 实验室的成立获得了政府 12 亿美元的资金。华为计划在芯片制造设备方面进行大量投资。

无锡的试点生产线旨在实现年产量 10,000 片晶圆。山东恒源计划大幅提高铌酸锂晶体晶圆的年产量。预计中国的整体芯片产能将会增加。

表 3：中国光学芯片市场预计增长

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注：对于《全球 25G 光学芯片市场报告》，可获得的资料中缺少具体的预计市场规模和复合年增长率。

基于光计算的未来

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全球光子芯片市场有望实现显著增长，预计到 2031 年将达到 104.1 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 为 15.4%。到 2032 年，光通信芯片市场预计将达到类似规模，复合年增长率为 12.9%。

随着中国继续在光学芯片技术方面投入巨资，全球半导体格局可能会发生重大变化。中国对光学芯片的战略重点既代表了对当前限制的技术对冲，也代表了对计算未来的大胆押注。

在技术霸权争夺战中，中国在光学芯片领域的进步可能被证明是一项决定性的举措——有可能使其在其他人掌握基于光的计算科学之前，通过掌握它来超越竞争对手。随着传统电子芯片接近其物理极限，利用光进行计算的能力可能决定哪个国家将引领下一个技术进步时代。

硅光子革命正在如火如荼地进行，中国决心走在前列。