光芯片发展向何方？

　　随着5G、云计算、大数据、人工智能等新型信息技术的迭代升级和普及应用，全社会数据流量和算力需求迎来爆发式增长。同时，传统电芯片性能的进一步提升面临摩尔定律演进失效的问题，算力供需矛盾日渐突显。光芯片以光为信息载体，是与电芯片平行发展的器件集成体系。光芯片通过对光的处理和测量实现信息感知、传输、存储、计算、显示等功能，因其具有速度快、稳定性高、工艺精度要求低和可多维度复用等优势，有望打破电芯片的发展禁锢，为芯片发展带来新的契机。
　　光芯片技术多体系并存趋于多维融合
　　区别于电芯片相对单一的材料体系，光芯片可通过硅系、玻璃、聚合物、二维材料、族半导体等多种材料平台实现。因此，光芯片需依据拟适配的器件类型、功能方向和应用场景来选择材料体系。从市场规模和产业落地情况看，族光子集成体系、硅基光子集成体系和平面光波导（PLC）光子集成体系将在未来的光芯片产业中具有较高的经济价值。
　　族光子集成体系起步较早、潜力较大，但进一步发展仍有问题待研究解决。族光子集成体系是以磷、铟、砷、镓等主族元素材料为主体的集成技术体系。依托原子直接带隙的物理优势，族元素材料可兼容无源和有源光器件，成为理想的光学集成体系。该体系研究起步较早，成熟度相对较高，在传输、感知、显示等应用领域已占据市场主导地位。当前，族光芯片正向小型化、兼容化、多功能化的方向发展。但是，受晶圆尺寸和加工制备等因素限制，系统进一步提高集成度在技术研究和加工工艺方面仍有问题待研究解决。
　　硅基光子集成体系发展势头迅猛，向大规模集成和光电融合方向发展。硅基光子集成（以下简称“硅光”）是能够使多个光学结构在同一硅衬底上集成和制备的技术体系，主要以硅或与硅工艺兼容的其他材料为实现主体。硅光体系的材料和工艺可与传统电芯片兼容，这一特性能够有效地助推硅光技术向大规模集成和光电融合方向发展，使硅光芯片成为当前光芯片的研究热点。当前硅光体系已能够实现大部分无源和有源光器件，仅在硅基光源和光放大器方面还面临困难。因此，多种光器件均可通过特定的二次封装技术混合集成在硅衬底上。为进一步提高芯片集成度，将光器件、电器件一次集成在同一衬底上的单片集成技术已成为当前重点攻克方向。
　　PLC光子集成体系发展相对成熟，已成为无源光器件及系统的主流技术。PLC光子集成体系是在玻璃、二氧化硅等基板平面上形成光波导，并利用不同光波导结构的组合和排列，实现复用、分光、耦合等功能的无源光学集成系统。当前，PLC光子集成体系因其芯片结构简单、工艺稳定等特点，发展较为成熟，已广泛应用在光通信网络的关键无源器件中。
　　多维度融合发展成为光芯片提高集成度和系统性能的必然趋势。在器件层面，光芯片的进一步发展应实现有源器件和无源器件的理想匹配；在载体层面，光芯片的进一步发展需要实现光学结构和电学结构的有机结合；在材料层面，光芯片的进一步发展需要实现硅系、族等多体系的高效兼容。值得注意的是，光芯片的多维融合发展在当前仍面临设计、工艺、封装、测试等方面的多重挑战，亟须相关科研院所及产业链企业的协同创新突破。
　　光芯片产业多路径发展部署加快
　　光芯片产业分布相对集中，发达国家正积极部署并致力于打造区域特色。光芯片产业主要分布在北美、欧洲、东亚、南亚四大地区。美国产业实力整体较为强劲，拥有Intel、IBM、Infinera等世界领先的光芯片企业，并通过成立光子集成研究院AIMPhotonics等方式引导各方资源投入光芯片产业。欧洲高度重视光芯片产业发展，形成了科研院所与企业联合代工等产业模式，积极构建标准化光芯片代工生态链，并通过“地平线计划”等项目推动光芯片技术发展。其他国家也充分发挥自身优势，积极打造区域特色的光芯片产业。
　　光芯片产业快速建设，部分领域产业布局已成熟完整。在全球芯片短缺的大环境下，相关科研院所和产业机构均投入大量的人力、物力和财力发展光子集成技术产业体系，推动光芯片产业高速发展。当前，光芯片在移动通信、激光加工等传统领域的产业布局已相对完整，但在消费健康、3D传感、高性能计算等新兴领域仍处于产业化初期或前夕阶段，全生态体系构建仍然面临诸多问题。
　　光芯片产业路线多样，标准化难度较大。光芯片产业链需要应用需求、开发设计、加工制造、封装测试等多个产业环节之间的相互配合。受材料体系多样、器件类型丰富、光电领域差异等因素影响，不同企业制造的相同功能产品，采用的技术方案存在较大差异，形成了多样性的产业路线，产业链各环节也相应地向不同的产业路线靠拢并逐渐细化。多样化的路线导致产业链标准化难度加大，催生了面向个性化定制化的产业形态。
　　光芯片应用多领域并进潜力巨大
　　当前，光芯片趋向于实现信息传输、计算、显示等多功能应用，在通信、计算、消费电子等市场领域具有较大的发展潜力，有望成为未来信息产业的重要基础和核心支撑之一。
　　通信领域，光芯片是光传输的基础元件，有效助推高速光通信发展。当前，通信基础元件需要向大带宽、集成化、高能效的方向发展。光芯片因速率高、低损耗等优势已大量应用于光传输领域，主要实现互联、分光、复用和光电转换等功能，在传输网、接入网、数据中心等应用场景均发挥着重要作用。随着通信网络实现更高速率，面向800Gbps高速光模块的光芯片产品和硅光技术已成为发展热点。
　　计算领域，光子集成逐渐融入计算系统并形成后摩尔时代的新型计算路径。随着后摩尔时代的到来，传统电子计算陷入发展滞缓期，光信号有望成为未来计算系统的重要信息载体。在传统计算路径中将光互联引入核心处理单元中，可有效提升运算、存储等模块间的数据传输速率。而在新型计算路径方面，基于宏观物理特性的光计算芯片和基于微观物理特性的光量子计算芯片能够有效地提升整体计算性能，有望解决当前算力供需矛盾。
　　其他多个应用领域，光芯片发挥重要作用。当前，光芯片行业已在传感、存储、显示、激光雷达等方面开展应用，部分产品正处于初步商业化阶段。其中，消费电子类产品有望成为光芯片的重要应用方向，MiniLED、MicroLED、OPA等光芯片在手机、智能手表、ARVR等产业领域亦将扮演关键角色。
　　我国光芯片未来发展展望
　　现阶段，我国光芯片市场规模庞大。一方面，5G、千兆光网等新型信息基础设施的高速建设提高了对光芯片的应用需求；另一方面，人工智能、数据中心等热点领域也为光芯片产业创造了巨大的发展空间。与电芯片相比，我国部分光芯片研究处于全球第一研发梯队，相关成果可达世界领先水平。例如，曦智科技公司发布的PACE光计算引擎，运行经典人工智能模型的运算速率可达目前高端GPU的780倍；光子算数公司推出的光电混合计算加速卡，打破了国外的技术壁垒，实现光芯片加工的全流程国产化，目前已初步应用在数据中心领域。光芯片有望成为我国半导体产业“换道超车”的重要机遇。
　　但不可否认的是，相较于部分发达国家，我国光芯片技术产业的整体生态建设仍不完善，在基础材料、配套软件、加工制造等方面存在明显短板，部分产品上中游产业严重依赖海外。我国需要加大对光芯片技术和产业的支持力度，打牢发展基础，补齐产业短板，集技术、产业、政策、投资之合力助推光芯片领域高质量发展。
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