光子芯片的“弯道超车”能成功吗？

米国对于中国科技的封锁，从中兴、华为的芯片之后，再到前段时间很火的光刻机担忧，再到近几年成为热点的光子芯片，然后看到这个问题——光子芯片的“弯道超车”能成功吗？
不由得就

本文最后更新时间： 2023-01-23 02:34:07

米国对于中国科技的封锁，从中兴、华为的芯片之后，再到前段时间很火的光刻机担忧，再到近几年成为热点的光子芯片，然后看到这个问题——光子芯片的“弯道超车”能成功吗？

不由得就想回答下——

中国芯片产业现状

说实话，中国的芯片产业发展，要感谢美国，感谢特朗普。如果不是特朗普、美国为首的西方国家掀起的对中国芯片在内的高科技企业大打压、封锁和断供，国内大多数人并不知道人手一部手机使用的芯片技术，中国和西方对手之间存在着高科技领域的绝大实力差距，目前看到来几年内还难以超越。

自然，我们也很少有机会知道国产量产7纳米、5纳米芯片竟然是一件如此艰难的事情——难道竟然相处这个问题，利用光子芯片来实现弯道超车。

那么，中国的芯片产业究竟处于什么水平呢？

经过几年的传播，现在估计人人都知道，芯片是世界上最难账掌握的高端核心技术之一，也能为衡量一个国家的科技实力标准的重要指标之一。

我们已经知道，半导体芯片或称之为硅电子芯片是由沙子（稀土材料）制成的，但是从沙子到硅电子芯片，这中间要有很远的路要走，跟别说目前讨论的趋近于物理极限（从目前的5纳米到2纳米、1纳米）的硅电子芯片了。

一般来说，硅电子芯片产业包括研发、设计、制造和封测几个环节。每个环节中还包括很多小环节，每个小环节还分为更多工序，每一个工序都可能成为验证科技实力的机会和难题。

然后，我们再说芯片的产业生态链，基本分为IDM模式和Fabless模式。

IDM模式，就是芯片的设计、生产、封装和检测都是自己做。

而Fabless模式，就是无晶圆厂的芯片设计企业，专注于芯片的设计研发和销售。而实物产品的晶圆制造、封装测试等环节，外包给代工厂（称为Foundry）完成。

放眼全球，能够完成IDM模式的，也仅仅只有半导体高科技的TOP老牌企业才能做，像英特尔、三星、TI（德州仪器）等极少数几家企业。

大部分芯片企业，基本都选择了Fabless模式，这包括华为、MediaTek、高通，都是Fabless。

而Foundry就是Fabless企业把设计好的芯片交给Foundry来生产，全球范围包括TSMC（台积电）、格罗方德、联华电子等。

好，全球说完，我们再说下中国芯片产业的真实水平。

目前的中国，还没有一家IDM企业。没说，说的是一家都没有。

而已米国和特朗普对中国高科技的打压，正在逼迫着中国至少拥有一家IDM企业，在这点，我们要感谢特朗普。

中国的新品啊企业主要走的是Fabless模式，也即是像华为和中兴等把芯片设计好，然后交给代工厂类似于台积电等帮我们生产出来，交给我们，然后组装成成品销售。

中国也有不少Foundry企业，分布于晶圆制造、封装测试等领域，这些甚至都处于世界领先地位。

但是，中国自己制造不出生产芯片的高端设备——光刻机，成为限制中国芯片发展的瓶颈。

就拿现在最火的5G终端芯片来说吧。全球有能力推出产品的，一共只有5家企业，其中有3家是中国的，分别是华为海思、MediaTek和紫光展锐（三家都是Fabless）。另外2家是高通和三星。

世界上最厉害的几家Foundry代工厂中，台积电和联华电子就是中国的。中国大陆的中芯国际，也有一定的实力。据国际半导体设备材料产业协会（SEMI）公布的数据显示，到2020年，全球将新建62座晶圆厂，其中26座将落户中国，占比高达42%。

光子芯片的机会——中国硅电子芯片的窘境

在介绍光子芯片之前，先来梳理下硅电子芯片的窘境。

为啥我们感到生产芯片这么难，其实并不是中国生产不出制造芯片的光刻机，而是生产不出制造高端芯片（像7纳米、5纳米芯片）的光刻机。

为什么制造不出这种光刻机，是因为材料和工艺上的差距。本来像荷兰的ASML就是集全球半导体TOP企业作为股东成立的，在这方面的竞争可以说是中国在和全球的实力PK。

而纵观全球硅电子芯片产业链本身，其实也是存在窘境的。

任何产业趋近于技术极限的情况下，每前进一步都要经历巨大的挑战，这种挑战不但是技术、人才、资金、材料领域，更重要的是还有时间，看谁耗得起。

硅电子芯片的窘境，主要是在肉眼可见的未来（也许是5年，也许是8年，或者更长）会遇到物理极限。

谁都知道，这个领域的发展遵守摩尔定律。

随着芯片领域进入个位数（也即小于10纳米，进入7纳米、5纳米乃至于2纳米）时代，整个产业能否延续摩尔定律被再度提起，引发产业担忧。

因为，处于这个水平的芯片，进一步开发新制程变得无比艰难：器件的设计受材料的制约，需要设计新的鳍式晶体管。

而制造这种器件的设备更加昂贵，主要体现在材料和工艺上，像荷兰的ASML公司身缠的一台制造光刻机都是一亿多美金。

不久前，硅电子芯片行业的3纳米、5纳米时代已经来临，譬如三星和台积电两家，而设计5纳米、3纳米芯片容易，想要制造出来，又遇到了材料和工艺上的挑战。

譬如，为了构建5纳米器件，三星已经决定改变鳍式为纳米片结构，而这样的结构对材料和堆叠工艺的要求是空前巨大的。再往下，晶体管由于量子效应，已经无法保证在1-2纳米尺度进行正常操作，也就意味着电子芯片的进化宣布停止。

除此之外，芯片运行时产生的热量也对器件的稳定性提出了新的挑战。

上图，就是2017年IBM公司公布的他们设计的5纳米芯片。

芯片产业：光子芯片能成为主流吗？

光子芯片，是相对于电子芯片而言的。

光子芯片，这几年之所以热门，一个原因是因为这几年AI技术和智能计算的庞大计算力需求，在一个就是硅电子芯片担忧的物理极限所致。

光子芯片就这样，进入研究人员的事业，全球出现众多光子芯片企业。

那，什么是光子芯片？光子芯片相比于电子芯片又有哪些优势？

用一句简单的话来解释光子芯片，那就是在芯片上使用了无数个光学开关器，作用就类似半导体芯片中的逻辑栅，利用不同波长，相位和强度的光线组合，在复杂的反射镜、滤波器以及棱镜结构所组成的数组中进行信息处理。

与大多数计算操作一样，人工智能和机器学习的基础是数学计算。然而，在AI应用中常见的一种此类复杂的数学问题是矩阵向量乘积。随着对基于AI的产品的需求增加，这些计算需要做得越来越快，由于电子集成电路的集成度受物理限制而不可能无限提高，基本上很快就会达到了可以快速完成计算的极限，已经存在了数十年的计算技术已无处可走。

由于光的快速反应和并行特性，能瞬间传输大量数据，因此被普遍应用在数据中心的服务器上。也因为光子传输过程稳定，并行能力强，且纠错设计相对简单，传输和转换所需要的能量极小，所以采用光子计算的架构理论上可以做到相对低的功耗表现。

但是使用光子学，无需解决此问题，光束可以比电流更快，更有效地穿过光子元件和传感器。响应速度更快，而功耗却大大降低。

而光子芯片的光明未来，还在于光子芯片可沿用目前成熟的半导体工艺技术，而目前仍处于实验阶段的光子芯片仅需要老旧的微米级工艺就可达到大幅超越既有半导体芯片的计算能力，也因此未来工艺微缩空间极大。而凭借芯片密度的增加，性能还能大幅成长，甚至有机会彻底改写摩尔定律的限制。

而凭借芯片密度的增加，性能还能大幅成长，甚至有机会彻底改写摩尔定律的限制。

这就让光子芯片从理论上也能做到规模极小的应用上，比如说移动设备中。

注意，这里提到的应用于移动设备之中的光子芯片，是理论上，而不是设计上，更不是制造上，产业上就更远了。

中国的光子芯片，能否实现弯道超车？

为什么要弯道超车？

那是因为在硅电子芯片领域与全球的竞争太难了。

更是因为硅电子芯片领域别说中国，就拿全球来说，让硅电子芯片每前进一步的进化也快到达极限。

这个时候，处于热点之中的光子芯片给备受西方国家禁锢的中国芯片行业带来希望。

就像硅电子芯片产业一样，其生态链涉及到研发、技术、设计、制造、封测、材料和周边等诸多领域。