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硅光芯片: 并非電子芯片的“對頭”而是“伙伴”
來源:千亿体育 作者: 發布時間: 2021-08-30

硅(gui)(gui)(gui)光芯片制(zhi)(zhi)造(zao)技(ji)術是(shi)基于(yu)硅(gui)(gui)(gui)和(he)硅(gui)(gui)(gui)基襯底(di)材(cai)料,利用互補(bu)金屬氧(yang)化(hua)物半(ban)導體(CMOS)工藝進行光器件開發和(he)集成的技(ji)術,其結合了集成電(dian)路技(ji)術超大規模(mo)、超高精度制(zhi)(zhi)造(zao)的特性(xing)和(he)光子技(ji)術超高速率、超低(di)功耗的優(you)勢,與現有的半(ban)導體晶(jing)圓制(zhi)(zhi)造(zao)技(ji)術是(shi)相輔相成的。

——北京郵電大學教(jiao)授、博(bo)士(shi)生導(dao)師 李培剛


當下科技競爭日趨(qu)激烈,最受(shou)人(ren)(ren)關注的(de)(de)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)技術更是日新月異。當IBM研發出2納米制程(cheng)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)消息尚未(wei)傳開(kai),臺積(ji)電和其合(he)作伙伴就(jiu)宣布(bu)取得了1納米以下制程(cheng)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)技術突破(po)。業內普遍(bian)認為,人(ren)(ren)類(lei)正一步步逼近電子芯(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)物理理論極限。

硅光芯(xin)片(pian)具有高運算(suan)速度、低功(gong)耗、低時延等特點,且不必(bi)追(zhui)求工(gong)藝尺寸的(de)極限(xian)縮(suo)小(xiao),在制造工(gong)藝上(shang),也不必(bi)像電子芯(xin)片(pian)那樣嚴(yan)苛(ke),必(bi)須使用極紫(zi)外光刻(ke)機(ji)(EUV)。

那么(me),硅光芯片能否突破摩爾(er)定律的(de)“天花板”,開(kai)辟新(xin)的(de)“賽道”?

仍存需要突破的技術瓶頸

“硅(gui)光(guang)(guang)子技(ji)術的概念很早就(jiu)有人提出了(le),但是要做好硅(gui)光(guang)(guang)芯(xin)片(pian),并不是很容易。”北京(jing)郵(you)電(dian)大學(xue)教授、博士生導(dao)師李培剛告訴科技(ji)日報(bao)記(ji)者(zhe),早在上世紀(ji)90年代(dai),IT從業者(zhe)就(jiu)開(kai)始為(wei)傳(chuan)統(tong)半(ban)導(dao)體芯(xin)片(pian)產(chan)業尋找繼任者(zhe),光(guang)(guang)子計(ji)算一(yi)度被(bei)認為(wei)是最有希望(wang)(wang)的未(wei)來技(ji)術。“因(yin)技(ji)術上的原因(yin),直到21世紀(ji)初,以Intel和IBM為(wei)首的企業與(yu)學(xue)術機構(gou)才率先重點(dian)發展硅(gui)芯(xin)片(pian)光(guang)(guang)學(xue)信號傳(chuan)輸技(ji)術,期望(wang)(wang)能(neng)用光(guang)(guang)通路取(qu)代(dai)芯(xin)片(pian)之間的數據電(dian)路。”李培剛說。

李培剛告訴記(ji)者,硅(gui)光芯片制造(zao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)是基(ji)于硅(gui)和(he)硅(gui)基(ji)襯(chen)底材料,利用互補金(jin)屬氧化物半(ban)導體(CMOS)工藝進行光器(qi)件開發和(he)集(ji)成的(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu),其結(jie)合(he)了集(ji)成電(dian)路技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)超(chao)(chao)大規模、超(chao)(chao)高精度制造(zao)的(de)特性和(he)光子技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)超(chao)(chao)高速率、超(chao)(chao)低功耗的(de)優勢,與現有的(de)半(ban)導體晶圓制造(zao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)是相輔相成的(de)。

李培剛表(biao)示,我國十分重(zhong)視(shi)硅光芯片(pian)(pian)產業的(de)發(fa)(fa)展(zhan)。但剛開始時,國內的(de)高端(duan)硅光芯片(pian)(pian)以設計(ji)為主(zhu)(zhu),流片(pian)(pian)主(zhu)(zhu)要還是在國外(wai),芯片(pian)(pian)制備(bei)的(de)周期長(chang)、成(cheng)(cheng)本高,制約(yue)了我國硅光子(zi)技術的(de)發(fa)(fa)展(zhan),“加之國外(wai)限(xian)制中國的(de)芯片(pian)(pian)技術發(fa)(fa)展(zhan),采取了一系列(lie)措(cuo)施,對我國硅光芯片(pian)(pian)企業的(de)發(fa)(fa)展(zhan)造成(cheng)(cheng)了較嚴重(zhong)的(de)影(ying)響。”

李(li)培(pei)剛告訴記者,硅(gui)(gui)光技術發展(zhan)主要(yao)可以(yi)分(fen)為3個階(jie)段(duan): 第一,硅(gui)(gui)基(ji)器件逐步取代分(fen)立(li)元器件,即(ji)用(yong)硅(gui)(gui)把(ba)光通信底層器件做出來,達到(dao)工藝的(de)標準化;第二(er),集(ji)(ji)成(cheng)技術從耦合(he)集(ji)(ji)成(cheng)向單(dan)片集(ji)(ji)成(cheng)演進,實現(xian)部分(fen)集(ji)(ji)成(cheng),再把(ba)這些器件像樂高積木一樣,通過不同(tong)器件的(de)組合(he),集(ji)(ji)成(cheng)不同(tong)的(de)芯(xin)片;第三,光電(dian)一體技術融合(he),實現(xian)光電(dian)全集(ji)(ji)成(cheng)化。把(ba)光和(he)電(dian)都(dou)集(ji)(ji)成(cheng)起來,實現(xian)更加復雜的(de)功能(neng)。“目前(qian)硅(gui)(gui)光技術已經(jing)發展(zhan)到(dao)了第二(er)階(jie)段(duan)。”李(li)培(pei)剛說。

在(zai)他看(kan)來,盡管硅(gui)光技(ji)術(shu)(shu)日趨成熟,硅(gui)光芯片即將進入規模(mo)化(hua)商用階段,但是仍(reng)存在(zai)需要突(tu)破(po)的技(ji)術(shu)(shu)瓶頸,如設計工(gong)(gong)具非(fei)標準化(hua)、硅(gui)光耦(ou)合工(gong)(gong)藝要求較高以(yi)及(ji)晶圓自動(dong)測試及(ji)切割(ge)等存在(zai)技(ji)術(shu)(shu)性挑戰。

李(li)培(pei)剛認(ren)為,我國(guo)在(zai)(zai)硅光芯(xin)片(pian)的研發上已經取得了(le)技術突破,但在(zai)(zai)產(chan)(chan)業(ye)(ye)化方(fang)面(mian)(mian),國(guo)產(chan)(chan)硅光芯(xin)片(pian)產(chan)(chan)業(ye)(ye)化技術還(huan)存在(zai)(zai)一些問題,包括結構設計、制造工(gong)藝、器件封裝(zhuang)和應(ying)用配套等,需要(yao)不斷(duan)發展(zhan)成熟,“除了(le)技術本身,硅光芯(xin)片(pian)的產(chan)(chan)業(ye)(ye)化也會受到材料、工(gong)藝、裝(zhuang)備、軟件、人才以及市場生(sheng)(sheng)態等綜合(he)因素(su)的影(ying)響。所以,在(zai)(zai)對技術方(fang)面(mian)(mian)的研發進行投入之外,形成一個好的產(chan)(chan)業(ye)(ye)生(sheng)(sheng)態,搭建平臺、優(you)化生(sheng)(sheng)態,產(chan)(chan)業(ye)(ye)鏈上下游加大(da)合(he)作,對于(yu)硅光芯(xin)片(pian)的發展(zhan)也是非常重要(yao)的。”李(li)培(pei)剛說(shuo)。

我國硅光芯片發展迅速

2017年11月28日,工信(xin)(xin)部正式批復同(tong)意武漢(han)建設(she)國家信(xin)(xin)息光(guang)(guang)電(dian)(dian)子創(chuang)新(xin)(xin)中心,該中心由(you)光(guang)(guang)迅(xun)科技、烽(feng)火通信(xin)(xin)、亨通光(guang)(guang)電(dian)(dian)等國內多家企業和(he)研發機構共(gong)同(tong)參與建設(she),匯聚了國內信(xin)(xin)息光(guang)(guang)電(dian)(dian)子領域超過60%的創(chuang)新(xin)(xin)資源(yuan),承載著(zhu)解決我(wo)國信(xin)(xin)息光(guang)(guang)電(dian)(dian)子制造業“關鍵和(he)共(gong)性技術協同(tong)研發”及“實現首次商業化”的戰略任務,著(zhu)力破解信(xin)(xin)息光(guang)(guang)電(dian)(dian)子“缺芯”的局面。

2017年,上海市(shi)(shi)政府將硅(gui)光子列入首批市(shi)(shi)級重大(da)專項(xiang),投入大(da)量經費,布局(ju)硅(gui)基光互(hu)連芯片(pian)的研發和生產,旨在打造硅(gui)光芯片(pian)全產業鏈,掌握關鍵核(he)心技術,讓國內企(qi)業擺脫對國外供應商(shang)的依賴。

2018年10月,由重慶市政府重磅打造的國家級國際化新型(xing)研發機(ji)構(gou)聯合微電子(zi)中(zhong)心(xin)有限責任(ren)公(gong)司(si)在重慶注冊成立,首期投資超(chao)100億元。

工信部2017年(nian)底發布的《中(zhong)國(guo)(guo)光電(dian)子(zi)器件產業技術發展路線(xian)圖(2018—2022年(nian))》指出,目前高(gao)速(su)率光芯(xin)片國(guo)(guo)產化率僅3%左右,要求2022年(nian)中(zhong)低(di)端(duan)光電(dian)子(zi)芯(xin)片的國(guo)(guo)產化率超(chao)過(guo)60%,高(gao)端(duan)光電(dian)子(zi)芯(xin)片國(guo)(guo)產化率突破(po)20%。

在政(zheng)策支持下,我國(guo)硅光芯片發展迅速(su)。2018年1月,國(guo)內第一個硅光子(zi)工藝平臺在上(shang)海成(cheng)立,縮小了(le)我國(guo)在加工制造上(shang)與國(guo)外(wai)的差(cha)距。

2018年8月29日,中(zhong)國信科宣布(bu)我國首款商用(yong)“100G硅光收(shou)發芯片”正(zheng)式(shi)投產。

2019年9月(yue),聯合微(wei)電子中心有(you)限(xian)責任公司實現了(le)8英寸硅(gui)(gui)(gui)(gui)基(ji)光(guang)電子技術(shu)工藝平臺(tai)的通線。僅僅幾個月(yue),其自(zi)主開(kai)發的硅(gui)(gui)(gui)(gui)光(guang)工藝就達到(dao)了(le)非(fei)常好的水平,并(bing)正式向(xiang)全球隆重發布“180nm成套硅(gui)(gui)(gui)(gui)光(guang)工藝PDK”,這標志著該公司具備硅(gui)(gui)(gui)(gui)基(ji)光(guang)電子領域全流程自(zi)主工藝制造能力,開(kai)始向(xiang)全球提供硅(gui)(gui)(gui)(gui)光(guang)芯片流片服務(wu)。

國家層面(mian),支持硅光(guang)(guang)(guang)(guang)技(ji)術(shu)(shu)的(de)利好政(zheng)策(ce)紛(fen)至沓(ta)來(lai),各(ge)地(di)政(zheng)府(fu)也(ye)紛(fen)紛(fen)入局(ju)。上海市(shi)(shi)明(ming)確提出發展(zhan)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)與(yu)器件,重點(dian)突破硅光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)、光(guang)(guang)(guang)(guang)通訊器件、光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)等新一代光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)器件的(de)研(yan)發與(yu)應(ying)用,對光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)器件模(mo)塊(kuai)化技(ji)術(shu)(shu)、基于CMOS的(de)硅光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)工(gong)藝、芯(xin)片(pian)(pian)(pian)集成化技(ji)術(shu)(shu)、光(guang)(guang)(guang)(guang)電(dian)集成模(mo)塊(kuai)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)(shu)等方面(mian)的(de)研(yan)究開展(zhan)重點(dian)攻關。湖北省、重慶市(shi)(shi)、蘇州市(shi)(shi)等政(zheng)府(fu)都把(ba)硅光(guang)(guang)(guang)(guang)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)作為“十(shi)四五”期間(jian)的(de)重點(dian)發展(zhan)產業。“根據各(ge)地(di)的(de)規劃來(lai)看(kan),很難看(kan)出各(ge)地(di)布局(ju)實(shi)質性(xing)差異(yi)。各(ge)地(di)將發揮自己(ji)原有的(de)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)產業基礎,并(bing)積極引進新的(de)企業,各(ge)盡所能發展(zhan)硅光(guang)(guang)(guang)(guang)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)產業。”李培剛說。

光與電未來將攜手共贏

硅(gui)光(guang)技術因其諸多特性,已經成為業(ye)界下一個追逐的目標。隨著產業(ye)化技術的不(bu)斷成熟,產業(ye)環境不(bu)斷優化,我國硅(gui)光(guang)芯片產業(ye)正蓄勢待發。

根(gen)據英特(te)爾的硅(gui)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)產業(ye)發展規劃,硅(gui)光(guang)(guang)(guang)(guang)模塊(kuai)產業(ye)已(yi)經進(jin)入(ru)快(kuai)速發展期。2022年,硅(gui)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)技術在每秒峰值(zhi)速度(du)、能耗、成本方面(mian)將全面(mian)超(chao)越傳統(tong)光(guang)(guang)(guang)(guang)模塊(kuai),預測硅(gui)光(guang)(guang)(guang)(guang)模塊(kuai)的市場增速為40%,2024年達(da)到39億美元,屆時(shi)有望占據整體市場規模的21%。

“目前來(lai)看,光和(he)電是在兩個‘賽(sai)道(dao)’上,各(ge)有自己的應用場景。在邏(luo)輯運算(suan)領域,未來(lai)的趨(qu)勢是光電集成,要(yao)實現全(quan)光計算(suan)還需要(yao)很長的一(yi)段時間(jian)。”李(li)培剛(gang)說,光子集成電路雖(sui)然目前仍處于初級發(fa)展階段,不過其成為(wei)光器件的主流發(fa)展趨(qu)勢已成必然。

“總體來說,目前只在(zai)個別計算和傳輸領域,光(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)可以替代電(dian)(dian)子(zi)芯(xin)片(pian)。”李培剛(gang)說,在(zai)制造(zao)工(gong)藝上,兩者雖然在(zai)流程(cheng)(cheng)和復雜程(cheng)(cheng)度上相(xiang)似(si),但光(guang)子(zi)芯(xin)片(pian)對結構(gou)的(de)要求不像電(dian)(dian)子(zi)芯(xin)片(pian)那(nei)樣嚴苛,一般(ban)是百納米級,“這大(da)大(da)降低(di)了對先(xian)進工(gong)藝的(de)依賴(lai),在(zai)一定(ding)程(cheng)(cheng)度上緩解了當前芯(xin)片(pian)發展的(de)瓶頸問題(ti)”。

“光有(you)光的優(you)勢(shi),電有(you)電的優(you)勢(shi)。”李培剛說,在某些(xie)應用場景中(zhong),兩(liang)者有(you)競爭,但更多的時候,二(er)者是共贏關(guan)系(xi)。

“硅光芯片技術目前還沒有電子芯片成熟,所以未知的因素很多,未來應把兩者很好地銜接起來。”李培剛認為,電子集成電路和光子集成電路之間是互補的關系。“未來我們可以充分利用光子集成電路高速率傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優點,在新的‘賽道’上跑出更好成績。”李培剛說。(記(ji)者 吳長(chang)鋒


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