新型光子芯片正在改變未來(lái)

光纖無(wú)線(xiàn)或許不再有任何障礙。米蘭理工大學(xué)與比薩圣安娜高等學(xué)校、格拉斯哥大學(xué)和斯坦福大學(xué)合作進(jìn)行的一項研究，發(fā)表在著(zhù)名期刊《自然光子學(xué)》上，使創(chuàng )建能夠通過(guò)數學(xué)計算最佳形狀的光子芯片成為可能光線(xiàn)能夠最好地穿過(guò)任何環(huán)境，即使是未知的或隨時(shí)間變化的環(huán)境。

這個(gè)問(wèn)題是眾所周知的：光對任何形式的障礙物都很敏感，即使是非常小的障礙物。例如，想一想當透過(guò)磨砂窗戶(hù)或當我們的眼鏡起霧時(shí)我們如何看到物體。這種效果與光學(xué)無(wú)線(xiàn)系統中攜帶數據流的光束非常相似：信息雖然仍然存在，但卻完全扭曲并且極難檢索。

光學(xué)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的新突破采用光子芯片，可有效塑造光以改善數據傳輸，這對于未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和高速數據處理的進(jìn)步至關(guān)重要。

創(chuàng )新光子芯片技術(shù)

這項研究中開(kāi)發(fā)的設備是用作智能收發(fā)器的小型硅芯片：成對工作，它們可以自動(dòng)且獨立地「計算」光束需要什么形狀，以便以最大效率穿過(guò)通用環(huán)境。這還不是全部，它們還可以生成多個(gè)重疊的光束，每個(gè)光束都有自己的形狀，并引導它們而不互相干擾；這樣，傳輸容量就大大增加，正如下一代無(wú)線(xiàn)系統所要求的那樣。

高效先進(jìn)的加工

「我們的芯片是數學(xué)處理器，可以非?？焖儆行У乩霉膺M(jìn)行計算，幾乎不消耗能源。光束通過(guò)簡(jiǎn)單的代數運算（本質(zhì)上是求和和乘法）生成，直接對光信號執行，并通過(guò)直接集成在芯片上的微天線(xiàn)傳輸。這項技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：處理極其簡(jiǎn)單、能源效率高以及超過(guò) 5000 GHz 的巨大帶寬?！姑滋m理工大學(xué)光子器件實(shí)驗室負責人 Francesco Morichetti 解釋道。

轉向模擬技術(shù)

「如今，所有信息都是數字化的，但事實(shí)上，圖像、聲音和所有數據本質(zhì)上都是模擬的。數字化確實(shí)允許非常復雜的處理，但隨著(zhù)數據量的增加，這些操作在能源和計算方面變得越來(lái)越不可持續。如今，人們對通過(guò)專(zhuān)用電路（模擬協(xié)處理器）回歸模擬技術(shù)抱有極大興趣，專(zhuān)用電路將成為未來(lái) 5G 和 6G 無(wú)線(xiàn)互連系統的推動(dòng)者。我們的芯片就是這樣工作的，」米蘭理工大學(xué)微納米技術(shù)中心 Polifab 主任 Andrea Melloni 說(shuō)道。

各領(lǐng)域應用

「使用光學(xué)處理器的模擬計算在許多應用場(chǎng)景中至關(guān)重要，包括神經(jīng)形態(tài)系統的數學(xué)加速器、高性能計算 (HPC) 和人工智能、量子計算機和密碼學(xué)、高級本地化、定位和傳感器系統?！筍cuola Superiore Sant'Anna TeCIP 研究所（電信、計算機工程和光子學(xué)研究所）的電子學(xué)教授 Marc Sorel 補充道。

這項工作由 NRRP 和 RESTART 研發(fā)計劃「未來(lái)電信系統和網(wǎng)絡(luò )的研究和創(chuàng )新，讓意大利更加智能」共同資助。在 RESTART 計劃中，米蘭理工大學(xué)的 Andrea Melloni 教授和 Piero Castaldi 教授、Istituto TeCIP、Scuola Superiore Sant'Anna Pisa 領(lǐng)導了「HePIC」重點(diǎn)項目和「Rigoletto」結構項目，旨在開(kāi)發(fā)下一代光子學(xué)將支持未來(lái) 6G 基礎設施的集成電路和光傳輸網(wǎng)絡(luò )。

Yole：2028 年，硅光芯片市場(chǎng)將超過(guò) 6 億美元

自 2023 年初以來(lái)，圍繞硅光子學(xué)進(jìn)行了大量炒作，并進(jìn)行了大量投資，特別是光計算、光 I/O 和各種傳感應用。各種應用中的主要技術(shù)將相對較快地被基于光學(xué)的設計和架構所取代，這似乎是合乎邏輯的。巨頭們預測光學(xué)將是必要的，并且很快就會(huì )變得普遍，而初創(chuàng )公司正在通過(guò)研發(fā)開(kāi)發(fā)新的應用。那么，我們能否期待這一預測很快實(shí)現呢？

盡管關(guān)于光子學(xué)與電子學(xué)結合的必要性存在很多爭論，但最大的硅光子市場(chǎng)——數據通信可插拔設備——僅產(chǎn)生約 12% 的數據通信收發(fā)器收入（預計到 2028 年將達到 30%）。半導體市場(chǎng)正經(jīng)歷長(cháng)期的下滑，導致客戶(hù)的購買(mǎi)行為更加務(wù)實(shí)。數據中心運營(yíng)商更喜歡歷史悠久且低成本的技術(shù)解決方案。Yole Intelligence 的市場(chǎng)研究表明，硅光子學(xué)還不是一項主要技術(shù)，即使對于傳輸距離長(cháng)達 500m 的數據中心內互連也是如此。

在這種背景下，硅光子學(xué)仍然是一項正在積極開(kāi)發(fā)的技術(shù)，具有廣泛的潛在應用，暗示著(zhù)即將出現的充滿(mǎn)希望的機會(huì )。未來(lái)十年，領(lǐng)跑者將會(huì )出現，導致行業(yè)整合。盡管如此，廣泛的應用將確保該技術(shù)有大量的擴展和擴散的機會(huì )。

Yole Group 在其新的《硅光子 2023》報告中估計，硅光子 PIC 市場(chǎng)到 2022 年價(jià)值 6800 萬(wàn)美元，預計到 2028 年將產(chǎn)生超過(guò) 6 億美元的收入，2022-2028 年復合年增長(cháng)率為 44% (CAGR2022) -2028）。這一增長(cháng)主要是由用于增加光纖網(wǎng)絡(luò )容量的 800G 高數據速率可插拔模塊推動(dòng)的。此外，對快速增長(cháng)的訓練數據集大小的預測表明，數據將需要利用 ML 服務(wù)器中的光學(xué) I/O 來(lái)擴展 ML 模型。

大量的數據中心需求，特別是在人工智能 (AI) 和機器學(xué)習 (ML) 領(lǐng)域，預計將推動(dòng)未來(lái)十年的發(fā)展。憑借傳統的以處理器為中心的計算架構和銅互連，基于 3nm 技術(shù)的最先進(jìn)芯片正在接近其物理極限，同時(shí)對更快數據傳輸的需求也隨之激增。因此，硅光子學(xué)因其能夠促進(jìn)高速通信而成為主要焦點(diǎn)。

包含光纖 I/O 的架構可以簡(jiǎn)化計算節點(diǎn)和內存池之間的訪(fǎng)問(wèn)，利用光纖的扇出功能最大限度地減少訪(fǎng)問(wèn)資源所需的交換跳數。Broadcom 的戰略計劃概述了交換芯片的發(fā)展軌跡，預計從今年的 51.2 Tb/s（5 nm 工藝節點(diǎn)）增加到 2025 年的 102.4 Tb/s（3 nm 工藝節點(diǎn)），并達到令人印象深刻的 204.8 Tb/s（2 nm 工藝節點(diǎn)）到 2027 年，這種指數級增長(cháng)可以成為硅光子學(xué)在網(wǎng)絡(luò )應用中進(jìn)步的重要催化劑，為未來(lái)顯著(zhù)增強數據容量鋪平道路。硅光子學(xué)為具有大容量可擴展性需求的應用提供了一個(gè)多功能平臺。

其應用的主要和最直接的領(lǐng)域是數據中心，英特爾在該領(lǐng)域占據主導地位。第二個(gè)主要的大批量應用是電信，例如 Acacia，受益于硅處理的一致和卓越的性能。第三個(gè)廣泛的應用領(lǐng)域包括光學(xué) LiDAR 系統，具有巨大的潛力，但面臨成本和 2D 光束掃描挑戰。3D 集成（將兩個(gè)芯片安裝在同一硅基板上）對于無(wú)縫控制至關(guān)重要。光學(xué)陀螺儀需要相當大的芯片來(lái)實(shí)現靈敏的旋轉傳感器，這得益于硅基板和氮化硅波導。量子計算在不斷發(fā)展的人工智能和機器學(xué)習領(lǐng)域至關(guān)重要。光計算是注重效率的任務(wù)的理想選擇，引起了業(yè)界的關(guān)注并有望產(chǎn)生重大影響。

先進(jìn)的光子元件及其醫療用途集成可以改變醫療保健，實(shí)現更快、更精確的診斷、治療和患者監測。臨床采用可能需要克服監管和標準化挑戰?；诠韫庾拥尼t療應用前景廣闊，在各種醫療保健和醫療領(lǐng)域具有巨大潛力。將硅光子學(xué)擴展到可見(jiàn)光譜顯示了未來(lái)發(fā)展的潛力，提供了廣泛的創(chuàng )新應用。

硅光子產(chǎn)業(yè)格局正在圍繞不同的參與者形成，包括：主要的垂直整合參與者（英特爾、思科、Marvell、博通、Nvidia、IBM 等）積極投身硅光子產(chǎn)業(yè)；初創(chuàng )公司和設計公司（AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence）；研究機構（UCSB、哥倫比亞大學(xué)、斯坦福工程學(xué)院、麻省理工學(xué)院等）；代工廠(chǎng)（GlobalFoundries、Tower Semiconductor、imec、臺積電等）；和設備供應商（Applied Materials、ASML、Aixtron 等）。所有這些參與者都為顯著(zhù)增長(cháng)和多元化做出了貢獻。