摩尔定律进入尾声，芯片制造商想尽各种办法提升速度。光子学技术是关键吗？
牛津大学的科学家们上周宣布在芯片设计方面取得了突破，他们推出了一种基于光的硅光子芯片，据称其速度比传统电子半导体快300倍。它展示了半导体技术和工艺濒临极限之际，光子学在数据中心等应用中实现高性能与低功耗的巨大潜力。
Salience Labs产品。硅光子芯片有望成为数据中心提升速度和效率的关键助力
光子芯片是如何工作的？
牛津大学研究团队利用光的不同偏振以及光波互不干扰的特点，通过纳米技术在其芯片上加入了几个不同的偏振光路，实现并行处理大量数据而不会相互干扰。
光子芯片的潜力（它使用光而不是传统的电路来传输信息）早已得到大众认可。牛津大学材料系的June Sang Lee说：“我们都知道，光子技术相对于电子技术的优势在于，在大带宽下，光的速度更快，功能更多。因此，我们的目标是充分利用光子学与可调谐材料相结合的这种优势，实现更快和更密集的信息处理。”June Sang Lee是《科学进展》杂志上一篇论文的第一作者，该论文详细介绍了这项工作。
虽然该论文的作者承认他们的工作尚处于早期阶段，但市场上光子半导体的实际应用数量正在逐步增加，特别是当企业寻求处理大型复杂人工智能（AI）工作负载的方法之际。
是什么推动了硅光子芯片应用的增长？
目前，在芯片设计中部署光子技术的最常见方法是将光子架构与传统电路混合集成在一个芯片中。Gartner公司表示，2020年硅光子学的市场价值为5.16亿美元，预计到2025年将增长至26亿美元。
Gartner公司首席分析师Anushree Verma表示，有三个因素推动了这一增长。她说，第一个因素是“对人工智能和机器学习工作负载的兴趣越来越大，这需要更快的网络。因此，我们需要更快的相互连接和越来越高的带宽。”而这完全可以通过集成光子学来提供。
Verma说，其他因素与芯片生产有关，通过异构集成技术，光子电路和电子电路可以集成在一起，具体工艺由知名晶圆代工厂开发。
去年，全球领先的芯片生产公司台积电TSMC推出了COUPE（COmpact Universal Photonic Engine ，紧凑型通用光子引擎），这是一个将光子技术集成到芯片中的平台，预计数据中心对该技术的需求将越来越大。3月份，另一家生产商GlobalFoundries发布了自己的硅光子学平台GF Fotonix，而英特尔在2月份宣布以54亿美元收购Tower Semiconductor公司，获得了位于加利福尼亚州的Tower硅光子学代工厂。
Verma说：“我们在代工方面看到，现在已经有了异构集成，支持光、电等不同设计的集成，最后的驱动因素是电子光子设计自动化工具的广泛使用，这使得公司更容易设计光子集成电路。光学元件的成本也在下降，这有助于大量采用。”
科技界在多样性方面正在取得进展，但必须加快进展速度
如何加强财务职能并利用科技手段来适应未来的运营能力
数字技术如何应对ESG带来的挑战和机遇
光子技术可以帮助打破摩尔定律的终结
芯片制造商需要在性能方面取得突破。摩尔定律的终结迫在眉睫，制造商可以在单个硅芯片上安装的晶体管数量每年增加一倍，这意味着代工厂正在寻找新技术。Tech Monitor之前曾报道过半导体中GaN等新材料的潜力，而部署光子学则视为是另一个潜在的答案。
Vaysh Kewada是英国一家初创公司Salience Labs的首席执行官，该公司开发了一种硅光子学芯片来驱动AI工作负载。该公司从牛津大学和明斯特大学分离出来的，最近筹集了1150万美元用来资助其技术开发。Kewada解释说：“20世纪70年代和80年代的一些论文中，教授们就在思考光学处理器，但是在过去的五到七年里，硅光子学作为一种制造工艺已经有了长足的进步。现在你可以使用标准技术在代工厂制造光子芯片。”
掌握该技术的公司可以从性能的大幅提升中获益。Kewada说：“光子学是非常快的，因为光的传播速度很快。因此，你可以在芯片上以高达100GHz的速度为光计时。标准处理器在过去几年里一直锁定在几千兆赫的时钟速度上，所以这本身就具有非常重要的意义。”
Salience Labs声称他们公司的技术允许在单个芯片中进行并行处理，这意味着数据中心运营商还有可能节省能源效率。Kewada说：“在电子领域，调用64个运算节点，需要相同数量的芯片进行控制。而同样的工作只需要一个硅光子芯片，通过不同波长的光信号进行控制，即可完成同样的工作，这就意味着同样的功耗，硅光子技术可提供更高的吞吐量。”
受到关注的光子芯片生产商远不止一家。根据 Pitchbook的数据显示，硅光子学初创企业在2020年融资7.5亿美元，4月份，美国公司Ayar Labs从包括芯片制造商Nvidia在内的投资者那里融资1.3亿美元。
除了数据中心，光子技术也用于为超级计算机和量子计算机提供动力。英国量子公司ORCA最近向英国政府提供了其第一台量子计算机，它是全球使用光子技术来创建和稳定量子比特的众多企业之一，这些量子比特为量子机器提供动力。该技术也正在被部署为自动驾驶汽车中使用的激光雷达系统的一部分，以及传感器等设备。
光子学芯片的未来
Gartner公司首席分析师Anushree Verma表示，硅光子芯片的价格仍然很高，阻碍了其广泛应用。虽然制造已经变得越来越简单，但她认为围绕该技术的生态系统仍然是“新生”的。
她解释说：“当你在一个系统中加入光子芯片时，测试结果就会乱套。它和普通芯片不一样，这个过程需要标准化，这就是代工厂和供应商们正在努力做的事情。目前，硅光子工艺必须是定制的，在它们被标准化和标准库建立之前，光子芯片将始终是非常昂贵的。”
但是，来自半导体行业以外的广泛兴趣可能会确保生态系统的发展和价格的下降，PhotonDelta公司的Jorn Smeets说道。该公司是一个位于荷兰的非营利组织，旨在促进荷兰和整个欧洲光子芯片生态系统的发展。
PhotonDelta最近获得了各类资金达11亿欧元，以支持光子芯片公司，并与麻省理工学院合作制定了光子半导体的发展路线图。Smeets表示，人们对硅光子学以及其他光子学生产方法（如磷化铟和氮化硅）的兴趣空前高涨。
Smeets说：“我们看到了人们对这项技术越来越感兴趣，不仅仅是来自半导体制造商，从私募基金中看到，银行开始步入这一领域，并为相关公司提供资金。像Meta、谷歌和微软这样的企业都在参与我们与麻省理工学院制定的路线图以及我们在荷兰进行的标准工作，他们都非常热衷于此，因为有望降低数据中心的能耗，而能耗是一项巨大的成本。”
Smeets补充说：“光子学可能永远不会取代电子电路，但对于这些特定的应用和市场，它可以提供电子技术无法实现的功能。我们设想的未来是，你可以在一个芯片上集成多个组件，光子模块将必不可少。”
微信公众号 
bilibili 
微信视频号