硅光芯片： 并非电子芯片的“对头”而是“伙伴”
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）工艺进行光器件开发和集成的技术，其结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，与现有的半导体晶圆制造技术是相辅相成的。——李培刚 北京邮电大学教授、博士生导师
当下科技竞争日趋激烈，最受人关注的芯片技术更是日新月异。当IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和其合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，人类正一步步逼近电子芯片的物理理论极限。
硅光芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不必追求工艺尺寸的极限缩小，在制造工艺上，也不必像电子芯片那样严苛，必须使用极紫外光刻机（EUV）。
那么，硅光芯片能否突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”？
仍存需要突破的技术瓶颈
“硅光子技术的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易。”北京邮电大学教授、博士生导师李培刚告诉科技日报记者，早在上世纪90年代，IT从业者就开始为传统半导体芯片产业寻找继任者，光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。“因技术上的原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才率先重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望能用光通路取代芯片之间的数据电路。”李培刚说。
李培刚告诉记者，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）工艺进行光器件开发和集成的技术，其结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，与现有的半导体晶圆制造技术是相辅相成的。
李培刚表示，我国十分重视硅光芯片产业的发展。但刚开始时，国内的高端硅光芯片以设计为主，流片主要还是在国外，芯片制备的周期长、成本高，制约了我国硅光子技术的发展，“加之国外限制中国的芯片技术发展，采取了一系列措施，对我国硅光芯片企业的发展造成了较严重的影响。”
李培刚告诉记者，硅光技术发展主要可以分为3个阶段：第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化；第二，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件像乐高积木一样，通过不同器件的组合，集成不同的芯片；第三，光电一体技术融合，实现光电全集成化。把光和电都集成起来，实现更加复杂的功能。“目前硅光技术已经发展到了第二阶段。”李培刚说。
在他看来，尽管硅光技术日趋成熟，硅光芯片即将进入规模化商用阶段，但是仍存在需要突破的技术瓶颈，如设计工具非标准化、硅光耦合工艺要求较高以及晶圆自动测试及切割等存在技术性挑战。
李培刚认为，我国在硅光芯片的研发上已经取得了技术突破，但在产业化方面，国产硅光芯片产业化技术还存在一些问题，包括结构设计、制造工艺、器件封装和应用配套等，需要不断发展成熟，“除了技术本身，硅光芯片的产业化也会受到材料、工艺、装备、软件、人才以及市场生态等综合因素的影响。所以，在对技术方面的研发进行投入之外，形成一个好的产业生态，搭建平台、优化生态，产业链上下游加大合作，对于硅光芯片的发展也是非常重要的。”李培刚说。
我国硅光芯片发展迅速
2017年11月28日，工信部正式批复同意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、亨通光电等国内多家企业和研发机构共同参与建设，汇聚了国内信息光电子领域超过60%的创新资源，承载着解决我国信息光电子制造业“关键和共性技术协同研发”及“实现首次商业化”的战略任务，着力破解信息光电子“缺芯”的局面。
2017年，上海市政府将硅光子列入首批市级重大专项，投入大量经费，布局硅基光互连芯片的研发和生产，旨在打造硅光芯片全产业链，掌握关键核心技术，让国内企业摆脱对国外供应商的依赖。#p#分页标题#e#
2018年10月，由重庆市政府重磅打造的国家级国际化新型研发机构联合微电子中心有限责任公司在重庆注册成立，首期投资超100亿元。
工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。
在政策支持下，我国硅光芯片发展迅速。2018年1月，国内第一个硅光子工艺平台在上海成立，缩小了我国在加工制造上与国外的差距。
2018年8月29日，中国信科宣布我国首款商用“100G硅光收发芯片”正式投产。
2019年9月，联合微电子中心有限责任公司实现了8英寸硅基光电子技术工艺平台的通线。仅仅几个月，其自主开发的硅光工艺就达到了非常好的水平，并正式向全球隆重发布“180nm成套硅光工艺PDK”，这标志着该公司具备硅基光电子领域全流程自主工艺制造能力，开始向全球提供硅光芯片流片服务。
国家层面，支持硅光技术的利好政策纷至沓来，各地政府也纷纷入局。上海市明确提出发展光子芯片与器件，重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。湖北省、重庆市、苏州市等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。“根据各地的规划来看，很难看出各地布局实质性差异。各地将发挥自己原有的芯片产业基础，并积极引进新的企业，各尽所能发展硅光芯片产业。”李培刚说。
光与电未来将携手共赢
硅光技术因其诸多特性，已经成为业界下一个追逐的目标。随着产业化技术的不断成熟，产业环境不断优化，我国硅光芯片产业正蓄势待发。
根据英特尔的硅光子产业发展规划，硅光模块产业已经进入快速发展期。2022年，硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面将全面超越传统光模块，预测硅光模块的市场增速为40%，2024年达到39亿美元，届时有望占据整体市场规模的21%。
“目前来看，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成，要实现全光计算还需要很长的一段时间。”李培刚说，光子集成电路虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。
“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”李培刚说，在制造工艺上，两者虽然在流程和复杂程度上相似，但光子芯片对结构的要求不像电子芯片那样严苛，一般是百纳米级，“这大大降低了对先进工艺的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题”。
“光有光的优势，电有电的优势。”李培刚说，在某些应用场景中，两者有竞争，但更多的时候，二者是共赢关系。
“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，未来应把两者很好地衔接起来。”李培刚认为，电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。“未来我们可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”李培刚说。 （记者 吴长锋）
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