國內(nèi)首條！中國芯片“點亮”！

業(yè)界對光子芯片寄予厚望，其在數(shù)據(jù)中心中扮演著舉足輕重的角色，尤其在高帶寬和高能效的數(shù)據(jù)傳輸方面。目前，隨著人工智能、云計算和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及，對于高效數(shù)據(jù)處理的需求也與日俱增，光子芯片的研發(fā)落地也愈發(fā)緊迫。

9月25日，我國在光子芯片上迎來關(guān)鍵性突破，上海交通大學(xué)無錫光子芯片研究院建設(shè)的國內(nèi)首條光子芯片中試線，宣布正式啟用。另外今年早些時候，清華團(tuán)隊發(fā)布AI光芯片“太極-Ⅱ”和“太極-I”，濟南在全球率先研制成功12英寸鈮酸鋰晶體，我國中科院開發(fā)出可批量制造的新型“光學(xué)硅”芯片等等，都預(yù)示著光子芯片正式步入產(chǎn)業(yè)化快車道，將突破計算范式限制，為大規(guī)模智算帶來新的想象空間，一個屬于光子的輝煌時代即將開啟。

光子芯片為何備受青睞？

當(dāng)下以大模型為代表的生成式人工智能席卷全球，算力競爭進(jìn)一步加劇。行業(yè)測算數(shù)據(jù)顯示，AI訓(xùn)練所需算力每三個半月翻一倍，而摩爾定律下的晶體管數(shù)量每18個月才翻一倍，算力供需“剪刀差”持續(xù)拉大，量子計算成為共識解決方案。

目前量子計算主要有超導(dǎo)、離子阱及光量子三條技術(shù)路線，行業(yè)多方持續(xù)看好光量子路徑。行業(yè)人士表示，主要是因為實現(xiàn)通用量子計算機有三個前提——百萬量子比特的操縱能力、低環(huán)境要求、高集成度，光量子是目前能滿足這三個條件的最佳路徑。光量子芯片又分為光子芯片和量子芯片，其中量子芯片值得一提的就是今年1月發(fā)布的中國第三代自主超導(dǎo)量子芯片——“悟空芯”(夸父 KF C72-300)。

光子芯片也被稱作“光電子芯片”或“光子集成電路（PIC）”，是指利用光子作為信息傳輸和處理載體的新型集成芯片，以光為信息載體，具有大帶寬、高并行、低功耗的天然優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來大容量數(shù)據(jù)傳輸、人工智能加速計算的一大利器。

我們目前傳統(tǒng)使用的電子芯片性能主要取決于芯片集成的晶體管數(shù)量，芯片集成的晶體管數(shù)量越多，芯片計算能力就越強。但眾所周知，隨著計算速率和集成度的不斷提高，摩爾定律持續(xù)放緩，芯片計算面臨串?dāng)_、功耗、時延等等一系列固有瓶頸性問題。據(jù)日月光半導(dǎo)體相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，公司在基板上承載的帶寬方面已經(jīng)達(dá)到了極限。如果不能滿足這些需求，光子學(xué)是唯一的選擇。

光子芯片的核心技術(shù)是采用光子替代電子完成對計算任務(wù)的加速處理，其計算速度比電子芯片快約1000倍，功耗更低，有望低至aJ/MAC量級，從性能上突破摩爾定律的限制。行業(yè)消息顯示，光子芯片是新一代信息技術(shù)的核心，能滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)鬏?、計算、存儲、顯示的技術(shù)需求，已成為經(jīng)濟增長新動能，全球競速的產(chǎn)業(yè)高地。

一直以來，國內(nèi)光子芯片行業(yè)面臨中試平臺缺位、工藝技術(shù)壁壘高、良品率驗證低、產(chǎn)能轉(zhuǎn)化不足、國外平臺流片周期長等共性困境，嚴(yán)重制約了創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化落地的“黃金期”。近年來，國內(nèi)外多個平臺、企業(yè)在光子芯片領(lǐng)域不斷突破，助力我國光子芯片實現(xiàn)新突破。。

國內(nèi)首條光子芯片中試線在無錫啟用

無錫日報消息顯示，該光子芯片中試平臺總面積17000平方米，集科研、生產(chǎn)、服務(wù)于一體，配套設(shè)施完善且配備超100臺國際頂級CMOS工藝設(shè)備，覆蓋了薄膜鈮酸鋰光子芯片從光刻、薄膜沉積、刻蝕、濕法、切割、量測到封裝的全閉環(huán)工藝。平臺還兼顧硅、氮化硅等其他材料體系，搭建N個特色工藝平臺，形成領(lǐng)先的“1+N”先進(jìn)光子器件創(chuàng)新平臺，不僅可為高校、科研院所、創(chuàng)新企業(yè)提供全流程技術(shù)服務(wù)，還可以為光子產(chǎn)業(yè)孵化項目，與產(chǎn)業(yè)基金高效聯(lián)動，打通從產(chǎn)品研發(fā)到市場化的完整鏈條，加速科技成果的商業(yè)化轉(zhuǎn)化。

上海交通大學(xué)無錫光子芯片研究院院長金賢敏表示，中試平臺不僅能加速技術(shù)迭代的飛輪效應(yīng)，促進(jìn)工藝流程的持續(xù)優(yōu)化和產(chǎn)品創(chuàng)新能力的提升，還將以前所未有的速度觸摸到科技前沿的“天區(qū)”，破解創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈長期存在的結(jié)構(gòu)性矛盾，最終實現(xiàn)科技出“圈”，產(chǎn)業(yè)破“壁”。中試線正式啟用后，預(yù)計年產(chǎn)能達(dá)10000片晶圓，2025年第一季度將正式發(fā)布PDK，提供對外流片服務(wù)。

值得注意的是，上海交通大學(xué)無錫光子芯片研究院院長金賢敏同時也是上海圖靈量子創(chuàng)始人。圖靈量子公司成立于2021年2月，是我國第一家光量子芯片和光量子計算機公司。成立僅三年余，圖靈量子就在去年1月打造國內(nèi)首個量子智算中心；今年4月正式入駐國家超算互聯(lián)網(wǎng)平臺……在這一輪以量子計算與量子通信為代表的“第二次量子革命”浪潮中，業(yè)界對屢獲突破的圖靈量子寄予厚望。

濟南率先研制成功12英寸鈮酸鋰晶體

據(jù)濟南日報今年5月消息，濟南在全球率先研制出了12英寸(直徑300mm)的超大尺寸光學(xué)級鈮酸鋰晶體。

完成這項科研攻關(guān)的是山東恒元半導(dǎo)體科技有限公司，該公司成立于2021年，自成立以來，一直致力于鈮酸鋰、鉭酸鋰等光電材料、壓電材料的研發(fā)等。通過20年不間斷的探索與研究，公司團(tuán)隊已擁有從晶體生長設(shè)備的設(shè)計、均勻多晶料制備、晶體生長及缺陷控制技術(shù)以及晶體后處理技術(shù)的全鏈條自主知識產(chǎn)權(quán)，掌握了大尺寸鈮酸鋰晶體生長產(chǎn)業(yè)化所需的關(guān)鍵核心技術(shù)。目前，恒元半導(dǎo)體通過科技成果轉(zhuǎn)化，已經(jīng)開始批量生產(chǎn)6-8英寸Z軸、X軸光學(xué)級鈮酸鋰晶體。三年內(nèi)，恒元半導(dǎo)體計劃將晶圓年產(chǎn)量達(dá)到25萬片。

哈佛大學(xué)研究報告指出，鈮酸鋰對于光子學(xué)的意義，等同于硅對于電子學(xué)的意義。據(jù)悉，酸鋰晶體是一種具有壓電、電光、聲光及非線性光學(xué)等多種效應(yīng)的多功能晶體材料，且物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是至今人們所發(fā)現(xiàn)的光子學(xué)性能最高、綜合指標(biāo)最好的一種人工晶體，是集成光電子技術(shù)的核心基礎(chǔ)材料。研究表明，基于鈮酸鋰光學(xué)平臺開發(fā)出的全球領(lǐng)先微波光子芯片，可運用光子進(jìn)行超快模擬電子信號處理及運算，比傳統(tǒng)電子處理器快1000倍，不僅能耗更低，而且應(yīng)用范圍廣闊，涵蓋無線通信、高分辨率雷達(dá)、人工智能、計算機視覺、圖像/視頻處理等多個領(lǐng)域。

我國科學(xué)家開發(fā)出可批量制造的新型“光學(xué)硅”芯片

今年5月上旬，據(jù)中國青年報消息，我國中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員歐欣團(tuán)隊，在鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓及高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，成功開發(fā)出可批量制造的新型“光學(xué)硅”芯片。相關(guān)成果論文5月8日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

歐欣團(tuán)隊與合作者研究證明，與鈮酸鋰類似，單晶鉭酸鋰薄膜同樣具有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性，且在雙折射、透明窗口范圍、抗光折變等方面相比鈮酸鋰更具優(yōu)勢。此外，硅基鉭酸鋰異質(zhì)晶圓的制備工藝與絕緣體上的硅更加接近，因此，鉭酸鋰薄膜可實現(xiàn)低成本和規(guī)?；圃?，具有極高的應(yīng)用價值。

科研團(tuán)隊采用基于“萬能離子刀”的異質(zhì)集成技術(shù)，通過離子注入結(jié)合晶圓鍵合的方法，制備了高質(zhì)量硅基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓；同時，與合作團(tuán)隊聯(lián)合開發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件微納加工方法，成功制備出鉭酸鋰光子芯片。目前，團(tuán)隊已攻關(guān)8英寸晶圓制備技術(shù)，為更大規(guī)模的國產(chǎn)光電集成芯片和移動終端射頻濾波器芯片的發(fā)展奠定了核心材料基礎(chǔ)。

清華大學(xué)團(tuán)隊發(fā)布AI光芯片“太極-Ⅱ”和“太極-I”

今年8月清華大學(xué)發(fā)布消息，清華大學(xué)電子工程系方璐教授課題組和自動化系戴瓊海院士課題組首創(chuàng)了全前向智能光計算訓(xùn)練架構(gòu)，研制了“太極-II”光訓(xùn)練芯片，實現(xiàn)了光計算系統(tǒng)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效精準(zhǔn)訓(xùn)練。該研究成果以“光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全前向訓(xùn)練”為題于《自然》期刊。

據(jù)論文第一作者、電子系博士生薛智威介紹，在太極-II架構(gòu)下，梯度下降中的反向傳播化為了光學(xué)系統(tǒng)的前向傳播，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練利用數(shù)據(jù)-誤差兩次前向傳播即可實現(xiàn)。兩次前向傳播具備天然的對齊特性，保障了物理梯度的精確計算。如此實現(xiàn)的訓(xùn)練精度高，便能夠支撐大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

今年4月發(fā)布的太極I具備879 T MACS/mm2的面積效率與160 TOPS/W的能量效率，首次賦能光計算實現(xiàn)自然場景千類對象識別、跨模態(tài)內(nèi)容生成等人工智能復(fù)雜任務(wù)。太極-II的面世是繼太極I芯片之后的一大突破，進(jìn)一步揭示了智能光計算的巨大潛力。如兩儀分立，太極I和II分別實現(xiàn)了高能效AI推理與訓(xùn)練；又如兩儀調(diào)和，太極I和II共同構(gòu)成了大規(guī)模智能計算的完整生命周期。

目前，在原理樣片的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)該研究團(tuán)隊正積極地向智能光芯片產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，在多種端側(cè)智能系統(tǒng)上進(jìn)行了應(yīng)用部署。

中國團(tuán)隊成功研制完全可編程的拓?fù)涔庾有酒?/strong>