后摩爾時代的中國芯機遇

作者 | 小賢編輯 | 栗子

傳統(tǒng)電芯片在摩爾定律失效后逐漸逼近性能極限，越來越多的從業(yè)者將目光轉(zhuǎn)向了光。

對比電子芯片，光芯片的特點在于高速率和低功耗。在通信領(lǐng)域，光纖通信在數(shù)據(jù)傳輸中撐起了5G的覆蓋，而計算、儲存領(lǐng)域也給光芯片留出了巨大的舞臺。

光芯片遠超電芯片的性能潛力，讓其成為了一條硬科技發(fā)展的確定賽道。近幾年，英特爾、英偉達、格芯等海外芯片廠商紛紛出手并購光芯片項目，在新賽道抓緊布局發(fā)力。而在國內(nèi)，華為等廠商也投資了超過十余家光芯片公司，覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈上下游。

從技術(shù)競爭的角度來看，光芯片被認為是與國外研究進展差距最小的芯片技術(shù)，被寄予了中國“換道超車”的希望。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授，北京大學(xué)深圳系統(tǒng)芯片設(shè)計重點實驗室主任何進對「甲子光年」表示，從電芯片到光芯片是芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重心。中國依托龐大的應(yīng)用終端，未來可能在光芯片應(yīng)用上和國外并駕齊驅(qū)。

從電到光，中國芯片產(chǎn)業(yè)正在向光而行。

1.后摩爾時代的曙光

晶體管密度以每18到20個月翻一倍的速度發(fā)展，推動電芯片的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。在過去的50年里，芯片的算力一直遵循著摩爾定律持續(xù)增長。

但如今，計算芯片已經(jīng)開始從5納米向3納米制程發(fā)展，而原子的直徑約為0.3納米，在3納米的制程之后，物理、技術(shù)和成本的極限將無限趨近。

雖然算力的增長隨著極限趨近而放緩。但隨著數(shù)字化與智能化的持續(xù)普及，人類社會對算力的需求卻依舊在急劇膨脹。

據(jù)美國人工智能研究公司OpenAI統(tǒng)計，自2012年，人工智能的算力需求以平均每3到4個月翻一倍的速度增長。如今，最大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已是10年前的15到30萬倍。

電芯片算力觸碰到天花板是多種原因造成的。比如當(dāng)芯片尺寸小于5nm時，可能會帶來“量子隧穿效應(yīng)”。而且，即使晶體管做的更小，單個晶體管運算時的功耗也難以降低，產(chǎn)生的熱量無法有效散出。這種物理特性直接決定了單位面積電芯片上能做的計算密度，難以再有提高的空間。

除了把晶體管做得更小外，擴大電芯片面積也是以往業(yè)界提升算力的方法。但這一做法也會面臨功耗比的問題。芯片面積增大，意味著需要更長的導(dǎo)線，而芯片電能消耗和走線長度成正比，導(dǎo)線功耗過高，無疑是整個系統(tǒng)里繞不開的瓶頸。最終結(jié)果是，把芯片做大，功耗也會隨著面積的增大而顯著增加。

電芯片尺寸即將縮小到極限，同時擴大面積亦無法高效提高算力。電芯片在向更高算力尋求突破時的兩條路都已難走通。

此時，光芯片被賦予了突破算力的厚望。

其實幾十年來，科學(xué)家們一直致力于找到一種將光用于信息傳遞處理的方法。這種對光的探索，甚至比電芯片來得更早。

1960 年，美國科學(xué)家西奧多 · 梅曼發(fā)明了世界上第一個可見光輸出激光器，使光學(xué)發(fā)展出現(xiàn)了重大突破。這意味著人類對光的認識、掌握和利用進入全新階段。

在同一時期，華裔科學(xué)家高琨提出用玻璃纖維代替銅導(dǎo)線、用光代替電流的方法。這一突破性技術(shù)在落地應(yīng)用后，便發(fā)展成了如今長距離通信中的光纖通信。

回顧光芯片發(fā)展歷程，早在1969年美國的貝爾實驗室就已經(jīng)提出了集成光學(xué)的概念。但因技術(shù)和商用化原因，直到21世紀(jì)初，以Intel和IBM為代表的企業(yè)與學(xué)界才開始密集合作，重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)。

光通信發(fā)展至今，光在數(shù)據(jù)傳輸上已經(jīng)充分證明優(yōu)勢。目前所有的長距離通信，包括數(shù)據(jù)中心里服務(wù)器和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)都是通過光纖代替銅導(dǎo)線進行的。

而近幾年，人們開始將注意力從光的數(shù)據(jù)“傳輸”轉(zhuǎn)移到了“處理”。相對微電子芯片用電信號作為信息載體，光芯片則用頻率更高的光波作為信息載體。

相比于集成電路，光芯片在技術(shù)上避免了發(fā)熱問題，傳輸損耗更低、帶寬更高、時延更少、以及抗電磁干擾能力更強。這些都是光芯片的巨大優(yōu)勢。

“今天，我們已經(jīng)在光纖傳輸中發(fā)現(xiàn)了光子用于信息載體的偉大能力。如果未來芯片系統(tǒng)內(nèi)部都用光子來傳輸和處理信息，這是多么激動人心的時刻。目前看來，光就是最好、最快的介質(zhì)?！北本┐髮W(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授，北京大學(xué)深圳系統(tǒng)芯片設(shè)計重點實驗室主任何進說。

目前，硅光技術(shù)在傳輸領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，在大型數(shù)據(jù)中心和電信領(lǐng)域承載信息傳輸?shù)娜蝿?wù)。在以激光雷達為代表的光傳感領(lǐng)域也在逐步走向成熟。而以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計算將有望在未來5-10年，逐步出現(xiàn)在部分計算場景里。

在中國芯片產(chǎn)業(yè)被卡脖子的背景下，發(fā)力光芯片有了另一層“換道超車”的意義。

電芯片的開發(fā)是一個厚積薄發(fā)的過程，意味著技術(shù)落后難以在短時間內(nèi)“補作業(yè)”。何進表示：“中國電芯片技術(shù)和國外存在4-5代的差距，但光芯片在全球范圍內(nèi)還處在研發(fā)階段，尚未大規(guī)模應(yīng)用，并未形成代際差異。因此，依托中國自身龐大的應(yīng)用終端和獨一無二的統(tǒng)一大市場，我們將來有可能在光芯片的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上，和國外實現(xiàn)同步。”

2.一顆光計算芯片的誕生

盡管光芯片的發(fā)展被寄予厚望，但過去很長時間里，光計算卻是一個長期被困在實驗室、高校的技術(shù)。2017年，麻省理工學(xué)院物理學(xué)博士沈亦晨以一篇關(guān)于AI計算光芯片重磅論文打開了突破口。

當(dāng)時，沈亦晨以第一作者身份在《自然–光子》期刊以封面論文的位置發(fā)表了集成光子計算的重要學(xué)術(shù)成果，其概念是把傳統(tǒng)電子信號轉(zhuǎn)成光信號，讓光信號通過光子芯片，并且控制這些光之間的干涉。當(dāng)這些光相互干涉、以及這些數(shù)字發(fā)生計算時，整個計算時間就是光線通過芯片的時間：0.1 -0.5 納秒。而同樣大的矩陣乘法，在電芯片上的運算時間要長百倍左右。

這篇論文成為光子計算芯片發(fā)展的一大節(jié)點，在學(xué)界和業(yè)界都掀起了巨大反響，投資人、創(chuàng)業(yè)者紛紛登門。這也成為了沈亦晨走出實驗室，創(chuàng)立公司的一大推動力。同年，沈亦晨創(chuàng)辦了光子AI芯片公司曦智科技。而該論文第二作者Nicholas Harris在同一個技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)辦了Lightmatter。

回憶起當(dāng)時的場景，沈亦晨表示：“曦智科技算是其中最早起步的公司之一。創(chuàng)立時，連AI芯片都是一個新概念，更不用說光子AI芯片了。所以業(yè)界也常常把我們和量子計算這種前沿科技歸為一類?！?/p>

隨著英特爾、英偉達等業(yè)界巨頭在光子計算芯片領(lǐng)域的成果逐漸發(fā)布，貫穿科研到產(chǎn)業(yè)、光子AI芯片開始邁出從被質(zhì)疑到廣泛認可的過程。創(chuàng)業(yè)者、市場的信心愈發(fā)明顯。5年時間里，全球范圍內(nèi)光子AI芯片公司從零星的一兩家，增加到目前的20多家。

據(jù)介紹，曦智科技成立至今，公司總?cè)谫Y額超過2.2億美元。以十余名MIT博士為核心，全球團隊超過200人，辦公室、實驗室分布波士頓、上海、杭州、南京等地。

同期成立的Lightmatter在美國也頗受關(guān)注，公開資料顯示，其成立后先后獲得了經(jīng)緯美國、GV（原Google Capital)、惠普、洛克希德·馬丁、美國國防部的投資，融資總額約1.1億美元。

“光子芯片無疑是行業(yè)里最熱的方向之一?！鄙蛞喑空f。

2021年底，曦智科技推出了基于光子芯片打造的計算處理器PACE，也是全球第一個可以展現(xiàn)出光子優(yōu)勢的計算系統(tǒng)。據(jù)了解，PACE的結(jié)構(gòu)由光芯片和電芯片兩部分組成。電芯片主要進行數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)?；旌系恼{(diào)度，而光芯片則進行數(shù)據(jù)的計算。最后，光和電芯片會通過3D封裝技術(shù)倒裝的堆疊組成。

PACE光子芯片中集成了超過1萬個光子器件，芯片運行速度 1GHz，與目前市場上能買到單個算力最高的英偉達的GPU3080相比，跑一個特定的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，PACE所需要的時間少于GPU所需時間的1%。

沈亦晨表示，這種對比并不是為了在通用性上證明PACE可以跑所有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，且速度提升百倍。但PACE的表現(xiàn)說明了光計算優(yōu)勢的上限和它的潛力。

此外，光芯片的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在技術(shù)本身，在性能的提升方面，光芯片對先進制程工藝依賴性也更小。

沈亦晨表示，硅光芯片不需要對制程有特別高的要求，比如65或者45納米的COMS工藝線就可以滿足現(xiàn)在光芯片、光計算所有的要求。光芯片性能的提升更多是從其他方面進行技術(shù)迭代，包括主頻、波長數(shù)量還有不同的模式。

嚴(yán)格來說，PACE所代表的是電子芯片深度結(jié)合的光電混合的運算，而非純光計算?！霸诳深A(yù)見的未來時間里，都會是與電子芯片深度結(jié)合的光電混合運算?！鄙蛞喑勘硎尽?/p>

如此一來，PACE在與外部的交互上可以通過電芯片來完成，將所有指令集編譯器和SDK都承載在電芯片上，在軟件方面兼容現(xiàn)有芯片的生態(tài)。而光芯片部分則承接主要任務(wù)的處理器工作，包括線性計算和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

沈亦晨表示，曦智即將推出更通用化的計算產(chǎn)品，若將光的互聯(lián)和光的計算一起加上去，對第一代產(chǎn)品來說，只要能表現(xiàn)出3-5倍的算力優(yōu)勢，就足夠在廣闊應(yīng)用里找到巨大的市場空間。

3.硅光時代，中國機遇

光子集成電路雖然目前仍處于初級發(fā)展階段，但毋庸置疑，這種發(fā)展趨勢已成必然。2021年12月，阿里巴巴達摩院發(fā)布2022十大科技趨勢，光電芯片也位列其中。

但需要指出的是，光芯片的出現(xiàn)，并非為了完全顛覆與代替電芯片。事實上，光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運用電子芯片先進的制造工藝及模塊化技術(shù)，結(jié)合光子和電子優(yōu)勢的硅光技術(shù)將是未來的主流形態(tài)。

當(dāng)下，硅光發(fā)展尚不成熟的原因是多方面的。芯片的商用化依賴極長的產(chǎn)業(yè)鏈，從設(shè)計、制造到后期的送樣和商用，時間周期以數(shù)年計。目前硅光集成的工藝尚未成熟，帶來芯片良率低、成本優(yōu)勢不明顯，以及無自動化設(shè)計、設(shè)計與工藝脫節(jié)等問題，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同參與，形成更完善的硅光生態(tài)。

“商業(yè)化本身是一個持續(xù)且漫長的過程，就像第一個智能手機的普及就花了10年時間，光電混合的計算芯片能在未來一兩年內(nèi)送到客戶手上。但大規(guī)模商用、通用性計算產(chǎn)品還需要時間?！鄙蛞喑勘硎?。

總體來看，當(dāng)下硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈在成熟度上還遠不如電芯片，在芯片巨頭資源傾注下，產(chǎn)業(yè)鏈正在快速成長中。以光通信為主，包括光計算、光傳感路線的激光雷達快速發(fā)展，都在驅(qū)動著硅光供應(yīng)鏈越來越成熟。

“尤其是最近兩三年，國際上許多大型晶圓廠，EDA設(shè)計公司，封測廠都開始正式布局硅光方向?！鄙蛞喑勘硎?。曦智科技也正與一線晶圓廠、封裝廠建立戰(zhàn)略合作，推動硅光生態(tài)的發(fā)展。

中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊告訴「甲子光年」，“在2013年基金剛成立時，光電芯片在中國屬于極冷門的賽道，放眼望去，只有科研院所和少數(shù)海歸芯片人才從事相關(guān)研究工作，也鮮有投資機構(gòu)問津?！?/p>

巧合的是，那一年中國芯片進口規(guī)模首次超過了石油。在捕捉到這一現(xiàn)象后，米磊就判斷將來中國的芯片產(chǎn)業(yè)極有可能被“卡脖子”。于是光學(xué)背景出身的米磊就開始在中國尋找光電芯片項目。

為打造光子產(chǎn)業(yè)生態(tài)，2015年，中科創(chuàng)星發(fā)起了首個光電芯片產(chǎn)業(yè)孵化平臺——陜西光電子先導(dǎo)院，并投入數(shù)億元人民幣，購置專業(yè)設(shè)備，建設(shè)潔凈廠房，招募專業(yè)化人才，提供完備的配套服務(wù)，幫助早期芯片企業(yè)流片。

次年，中科創(chuàng)星又成立了10億元規(guī)模的早期基金，專門投向光電子領(lǐng)域。就在這一年，市場環(huán)境走向轉(zhuǎn)折，風(fēng)靡了近60年的集成電路遭遇了發(fā)展瓶頸，巨頭英特爾宣布不再按照“摩爾定律”推出芯片。米磊提出“米70”定律，呼吁大家關(guān)注集成光路。

他認為，未來光學(xué)成本在產(chǎn)品總成本中的占比至少會達到70%。到時候，光學(xué)器件、機械器件、電子器件都有可能會逐步芯片化，甚至有可能集成到一個芯片里面。

如今，在中科創(chuàng)星投資孵化的370多家硬科技企業(yè)里面，光+半導(dǎo)體項目就超過了150家，推動中科創(chuàng)星形成了以“光電芯片”為核心的投資布局。

在近期舉辦的EmTech China 全球新興科技峰會上，米磊在分享中表示，過去六十年的科技革命是集成電路和光通信推動的信息化革命，未來便會是以光子、人工智能、新能源和生命科學(xué)為代表的新一輪科技革命。

隨著近年來一個個細分技術(shù)領(lǐng)域的成熟、實現(xiàn)落地應(yīng)用，光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不斷提速。

2017年，iPhone X搭載3D攝像頭，藏在劉海屏后面的人臉識別技術(shù)在手機領(lǐng)域被廣泛接受，作為3D傳感技術(shù)核心組件的VCSEL激光芯片迎來井噴式增長。在自動駕駛領(lǐng)域，激光雷達作為感知環(huán)節(jié)的重要一環(huán)，以Quanergy為代表的激光雷達公司在自動駕駛熱潮中迅速成為獨角獸，也為光芯片帶來更多關(guān)注度。

華西證券在一份硅光產(chǎn)業(yè)報告中表示，2019年，全球硅光市場規(guī)模為4.8億美元，預(yù)計到2025年將成長至39億美元，復(fù)合增長40%。

“總的來說，電芯片時代是用原創(chuàng)技術(shù)去找市場，光芯片則是市場爆發(fā)需求，反過來研發(fā)原創(chuàng)技術(shù)來滿足需求，從這個角度來說，智能時代，我們有新的業(yè)態(tài)，新的需求，中國比全世界任何國家都有更多的人愿意擁抱新技術(shù)?！焙芜M說。

他認為，在信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和新的IT技術(shù)建設(shè)層面，中國有更大的市場需求和更多擁抱新技術(shù)生態(tài)的熱情，應(yīng)用生態(tài)比國外更好，因此中國光芯片產(chǎn)業(yè)有可能利用應(yīng)用生態(tài)優(yōu)勢在光芯片領(lǐng)域形成一定的優(yōu)勢。

“未來，中國最大的機遇一定是在光子時代?！泵桌谠诓稍L中表示，光是人工智能時代的基礎(chǔ)設(shè)施，無論是5G的網(wǎng)絡(luò)，還是獲取數(shù)據(jù)的傳感器，總之在通信、工業(yè)、消費等大部分領(lǐng)域都需要光芯片來支撐。

“今日光電芯片的發(fā)展階段，相當(dāng)于微電子芯片在上世紀(jì)六七十年代的階段，廣闊的市場空間還在等著我們?！泵桌谡f。