你相信光吗？这个问题有了新答案

*本文为《半月谈》2024年第21期内容

“你相信光吗？”如果一位关心芯片的人向你抛出这个问题，不是他忽然成了奥特曼迷，而是说明，他开始注意到，“光”开始成为搅动芯片界的力量了。

2023年诺贝尔物理学奖颁给“阿秒光脉冲技术”，“如何用光计算”也开始成为业界学界的重要课题。天生神速的光，能否以不可思议的速度，完成人工智能时代智能世界“基础设施”的更新换代？

光子“接棒”电子

不同于较为传统的电子芯片，光子芯片是一种利用光子特性来计算的新型芯片。

本质上，芯片都要借助半导体材料的物理特性来操控承载信息的微观粒子，不过不同类型芯片选择的粒子载体不同。“光子芯片就是利用光子来生成、处理、传输并显示信息。”中科创星创始合伙人米磊说。

相较于电子，光子的优势显而易见：传输信息具有极快的响应时间，信息容量比电子高3-4个量级，具有极强的存储、计算乃至并行互联能力，超低能耗……这些优势在信息产业意味着怎样的潜力，不言而喻。

眼下，随着人工智能时代的到来，人们对算力的需求也水涨船高。然而电子芯片发展已近于物理和经济成本极限，“摩尔定律失效”之声不绝于耳。

电子芯片以硅为基础材料，而硅原子的直径约为0.22纳米。当制程降至7纳米以下，电子芯片极易出现电涌和电子击穿问题，意味着我们很难完美控制电子。在2023年兴起至今的大模型浪潮中，传统电子芯片的左支右绌已见端倪。

光子芯片则意味着新的曙光。它不仅有望解决电子芯片难以克服的功耗、访存能力等方面的优化难题，还可以催生诸多崭新应用场景。与之相匹配的，则是用光路代替电路，用激光光源代替功率电源……省去光电转换，就有可能绕过现有的物理极限，突破芯片的算力瓶颈。目前，这一领域的角逐已在国内外诸多顶尖科研机构之间打响发令枪。

清华大学光子芯片团队部分成员合影

今年4月，清华大学研究团队在国际上首创分布式广度智能光计算架构，设计出一种面向先进AI任务的光子芯片——“太极”，能量效率超过现有智能芯片2至3个数量级，可为大场景智能分析、大模型训练推理等任务提供算力支撑。

5月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队开发出钽酸锂异质集成晶圆，也首先用于制作高性能且可批量制造的光子芯片。

光子芯片，真的离我们不远了吗？

如何“驯服”光？

憧憬未来之余，先让我们多想一想，光子芯片如何工作？

一枚电子芯片，由电子晶体管、导电的铜线构成。一枚光子芯片，则由光子晶体管和“导光”的波导构成。波导是传播光的媒介，例如大家耳熟能详的光纤，就是一种波导。

按照功能，光子芯片可分为激光器芯片和探测器芯片两类。激光器芯片要借助半导体材料激发注入电流的电能，从而实现电光转换。探测器芯片则是通过光电效应识别光信号，将其转化为电信号。

技术人员探讨光芯片生产工艺魏培全摄

如何控制光的输出？最理想的情况，是以光驱动，以光控制的全光晶体管。但目前技术尚不成熟，纯光子芯片仍处于概念阶段，光子芯片的基本器件还是用光驱动、用电控制的电光混合器件。基于光电调控，清华大学于今年8月推出太极II芯片，在无需GPU的情况下实现了光学神经网络的在线训练。

借由电光混合器件，光信号和电信号之间调制、传输、解调的全过程集成在一块衬底上，这就是芯片高速处理数据的基础。得益于光波的波长尺寸优势，光子芯片的制备仅需百纳米成熟工艺，芯片可实现完全国产化自主生产。

哪里是光子芯片的用武之地？

刚才说了，光子芯片有可能突破电子芯片的算力瓶颈。除此之外，它还可以在哪些领域大显身手呢？

都知道光速是人类已知的宇宙中最快速度，借助光的高速传输特性，光子芯片首先令人期待的，就是超高速数据传输。“光纤网络+光子芯片”，意味着高速通信的全新时代。此外，光子芯片的抗干扰性能也使得光子雷达有望成为现实。

图片由AI生成

光子芯片在其他领域的应用也值得期待。例如，生物医学领域，光子芯片可以应用于光学成像和光谱分析，实现对细胞、组织和药物的快速检测和分析。环境监测领域，光子芯片可以用于气体传感器和污染监测，让实时监测和评估环境质量效率更高。

光计算芯片，目前正在开始走出实验室，科学家们的期待是，经过一系列工程化努力，可以稳定生产的商用光子芯片能尽快化为现实。那也就意味着，光子芯片的成本已经可为业界广泛接受。

过了这几道关，我们才能走上芯片新纪元的金光大道。不过，前景已然可期，毕竟，光就在那里。

半月谈记者：张漫子

原标题：《芯片，透出一缕“光”》

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