本文來自微信公眾號“學(xué)習(xí)時報”，作者/謝鵬。
計算機是信息時代的重要標志，也是支撐信息技術(shù)的關(guān)鍵支點。隨著人工智能在多領(lǐng)域的應(yīng)用，對算力的需求呈現(xiàn)出爆發(fā)性的增長趨勢。一方面，半導(dǎo)體制程已趨于電子芯片的物理極限，電子計算的發(fā)展面臨“速率”和“功耗”兩大瓶頸且衍生出功耗墻、訪存墻與I/O墻等3大技術(shù)壁壘，現(xiàn)今計算訪存比、計算I/O比均比理想情況低1—2個數(shù)量級，通過減小芯片特征尺寸提升計算性能面臨巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，高性能電子芯片的先進制程工藝設(shè)備，我國尚未實現(xiàn)完全自主可控，面臨“卡脖子”風(fēng)險。與電子相比，光子作為玻色子具有獨特的優(yōu)勢，如高傳輸速度、高并行性、高帶寬和低功耗、低時延等。因而，以光學(xué)的技術(shù)手段去實現(xiàn)高性能信息處理與計算，是必然趨勢。傳統(tǒng)基于自由空間光學(xué)的計算方法無法實現(xiàn)小型化，光子集成被視為解決該問題的唯一技術(shù)手段。21世紀以來，光子芯片經(jīng)歷了從單元器件到規(guī)?；傻娘w速發(fā)展，在超高速通信、高性能計算、大容量光互連和高精度光學(xué)傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界達成共識：光電集成芯片有望延續(xù)摩爾定律，利用光電集成芯片進行信息交互是突破電子計算機發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)和有效途徑，有望緩解甚至解決我國“芯片之痛”。
硅光芯片融合了先進的微電子加工工藝和光子學(xué)前沿理論，在硅基芯片上集成激光器、光波導(dǎo)、光調(diào)制器和光探測器等光子信息組件，以光子作為信息載體，實現(xiàn)信息的傳遞、交互與計算等。相較于傳統(tǒng)電子技術(shù)，硅光技術(shù)在信息處理的速度和能效方面呈現(xiàn)顯著的優(yōu)勢，為摩爾定律延續(xù)提供有力支撐。近年來，硅光信息技術(shù)在全球范圍內(nèi)受到了高度關(guān)注與重視，美國、歐盟等西方發(fā)達國家和地區(qū)紛紛將光電集成技術(shù)列入國家發(fā)展的戰(zhàn)略性規(guī)劃之中。早在2015年，美國宣布成立國家層面的集成光子制造研究所（AIM Photonics），由政府、學(xué)術(shù)界、企業(yè)界等124家單位構(gòu)成，包含IBM、Intel等50家企業(yè)，麻省理工、斯坦福等20多家大學(xué)、33個學(xué)院和16個組織。歐盟也先后制定了信息與通信技術(shù)計劃ICT27、ICT28和“地平線2020”，其核心內(nèi)容就是推動光子集成產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國與國際同步在硅光技術(shù)領(lǐng)域完成了戰(zhàn)略布局且持續(xù)投入，從國家層面的“十三五”到“十四五”規(guī)劃，對集成電路、新一代人工智能技術(shù)均明確了發(fā)展目標與戰(zhàn)略需求，科技部、中國科學(xué)院等科技國家隊也先后部署相關(guān)的先導(dǎo)專項、重大科技項目，包括建設(shè)先進的光電芯片制造工藝平臺、光電芯片的前瞻性探索，并完善光電芯片的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，以解決我國光電信息產(chǎn)業(yè)的無“芯”之痛，提升我國在光電產(chǎn)業(yè)中的話語權(quán)。
在海量數(shù)據(jù)處理和人工智能對算力需求爆發(fā)性增長的今天，硅光技術(shù)在現(xiàn)代信息技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色，將為多領(lǐng)域帶來顛覆性的技術(shù)革新。人工智能技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是算力的提升，在高性能計算機架構(gòu)中，采用與具體應(yīng)用模式相匹配的加速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是提高計算能效比、降低功耗的有效途徑。最典型的成功例子是通過流式計算應(yīng)用與圖形處理器芯片的匹配，實現(xiàn)數(shù)量級的能效提升。但面對諸如類腦計算、深度學(xué)習(xí)、智能感知等領(lǐng)域應(yīng)用時，運用基于馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的電子計算機進行匹配加速明顯效果不佳，而光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在這方面展示出了獨特的優(yōu)勢。光矩陣運算具備時間和空間并行性、傳播容量大等特性。光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法可以直接映射，而不僅僅是簡單地對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行模擬，通過結(jié)合光計算通路的無電容效應(yīng)特性，基于光矩陣運算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機的能效可以得到極大提升，從而突破功耗墻的束縛。在信息傳輸和交互方面，大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)中心對超低延時、超高傳輸速率和更低能耗的信息交互需求不斷增長，光電集成技術(shù)可在信息交互容量、器件體積、數(shù)據(jù)傳輸能效等方面實現(xiàn)數(shù)量級的優(yōu)化。在衛(wèi)星激光通信與深空探索中，光電集成芯片有望顛覆傳統(tǒng)的通信終端，建立更快、更強、更穩(wěn)的星地、星間太空高速路，加快“空天地一體化”的發(fā)展步伐。硅光技術(shù)通過光傳電控的技術(shù)思路，為新型光電混合超級計算帶來了巨大的想象空間，為實現(xiàn)超高算力開辟了新的路徑。智能駕駛時代的到來對汽車感知能力提出了苛刻的需求，而硅光技術(shù)有望對汽車激光雷達系統(tǒng)產(chǎn)生變革，建立起更安全、高效的智能駕駛系統(tǒng)。此外，硅光技術(shù)在高精度、高靈敏度的生物傳感、精準醫(yī)療診斷與健康監(jiān)測等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。
硅光技術(shù)在眾多信息技術(shù)領(lǐng)域帶來了顛覆性變革，但在其發(fā)展過程中也面臨多個挑戰(zhàn)。一方面，與電子芯片相比，光子芯片具有多材料特征，通常需要多種材料集成以充分提升光子技術(shù)的潛力，因此，異質(zhì)材料及各功能器件間的集成和兼容成為急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，同時需要解決異質(zhì)集成引起的光電子芯片各部件間的光電熱力學(xué)耦合問題。另一方面，硅光芯片尚難以解決光子存儲問題，因此，對光子信息處理芯片與存儲芯片之間的交互具有更高的要求。如何建立硅光芯片和存儲器件之間的高速通信接口成為關(guān)鍵，光器件的設(shè)計、光電融合架構(gòu)均迎來挑戰(zhàn)。信息處理系統(tǒng)性能的提高，需要處理器與處理器之間的信息交互速度與處理器的計算速度相匹配，方可完全釋放處理器的計算性能。雖然硅光技術(shù)面臨著重重挑戰(zhàn)，但依然被視為21世紀顛覆性學(xué)科方向之一，隨著全世界科技人員在硅光芯片、硅光子微系統(tǒng)領(lǐng)域的持續(xù)投入，并取得系列理論突破及應(yīng)用模型的論證，硅光技術(shù)已經(jīng)逐步與電子技術(shù)相結(jié)合，推動了光電子微系統(tǒng)的大量應(yīng)用和相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級。
當(dāng)前日益激烈的全球競爭讓我們更加意識到：科學(xué)技術(shù)作為第一生產(chǎn)力，核心技術(shù)的自主可控直接關(guān)系到國家安全，高端芯片大量依賴于進口的局面存在很大的隱患。硅光技術(shù)作為獨立于電子集成技術(shù)的新興技術(shù)，處于世界科技前沿，因其具有很強的前瞻性和實用價值，成為世界各國競相爭奪的科技戰(zhàn)略高地。硅光芯片無需最先進的半導(dǎo)體制程工藝設(shè)備，擺脫了對高精度制程設(shè)備的依賴，高技術(shù)壁壘尚未形成，歐美也未在此領(lǐng)域形成絕對的競爭優(yōu)勢，對我國形成不了“卡脖子”壓制。
核心技術(shù)靠化緣是要不來的，必須靠自力更生。面向世界科技前沿和國家重大戰(zhàn)略需求，我國在光電集成領(lǐng)域進行了前瞻性部署和持續(xù)投入，中國科學(xué)院等一大批科研單位與高校紛紛主動擔(dān)責(zé)，相繼組建光電集成芯片研究團隊，旨在發(fā)揮有組織科研的優(yōu)勢，加快原始創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在基礎(chǔ)單元器件方面積累了豐富的經(jīng)驗與技術(shù)，培養(yǎng)了一批相關(guān)青年科技人才，構(gòu)建了較好的“產(chǎn)學(xué)研一體化”技術(shù)發(fā)展生態(tài)，為實現(xiàn)“未來光電集成芯片”的高水平科技自立自強貢獻力量。
