爭奪光子半導體主導地位的競爭

一場(chǎng)爭奪光子半導體領(lǐng)先地位的無(wú)聲戰爭正在展開(kāi)，光子半導體將成為未來(lái)人工智能 (AI)、6G 和自動(dòng)駕駛等尖端技術(shù)的基礎。業(yè)界預測，如果英偉達主導光子半導體市場(chǎng)，它將能夠超越其主導 AI 半導體市場(chǎng)所享有的影響力和地位。

日本、韓國加快光子半導體基礎設施建設

日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省最近在九州、東北、北海道三個(gè)地區大力發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)，旨在重振日本半導體產(chǎn)業(yè)。日本還將光子半導體視為這一半導體產(chǎn)業(yè)的重頭戲。

根據日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的《半導體戰略》，日本目前正在推行三階段的半導體重建計劃。第一階段是確保國內產(chǎn)能，第二階段是確立下一代半導體技術(shù)，最后階段是確立全球未來(lái)技術(shù)基礎。第三階段，日本計劃重奪半導體產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導地位，重點(diǎn)是光電子半導體技術(shù)。

隨著(zhù)日本政府大規模投資，民間企業(yè)也對發(fā)展光子半導體表現出積極態(tài)度。

日本最大的通信公司 NTT 正在與國內企業(yè)以及韓國和美國企業(yè)合作開(kāi)發(fā)下一代通信平臺「IOWN」的核心技術(shù)——光半導體。IOWN 有望用于預計在 2030 年左右普及的 6G。這需要光子半導體以光代替電子處理并降低功耗。

此次合作的公司包括半導體基板制造商 Shinko Electric Industries 和半導體存儲器制造商 Kioxia 等日本公司、計算半導體領(lǐng)域的美國公司英特爾以及在存儲器半導體方面實(shí)力雄厚的韓國公司 SK Hynix。

韓國也正在繼續努力開(kāi)發(fā)和商業(yè)化光子半導體。
2022 年，韓國電子通信研究院（ETRI）開(kāi)發(fā)出一種硅光子光子半導體芯片，每秒可傳輸 100 千兆位（100Gbps）數據。這是現有電子半導體芯片傳輸速度的兩倍。研究團隊利用核心光子半導體技術(shù)與 Oisolution 共同開(kāi)發(fā)了可在數據中心進(jìn)行 2 公里傳輸的 100Gbps 光收發(fā)器模塊，還開(kāi)發(fā)了鏈接四個(gè)通道以實(shí)現 400Gbps 性能的光互連模塊，驗證了其可用性。

2023 年，韓國科學(xué)技術(shù)研究院電氣電子工程系金相植教授領(lǐng)導的研究小組發(fā)現了一種新的光耦合機制，可以將光子半導體器件的集成度提高 100 倍以上。半導體的集成度越高，可以進(jìn)行的計算就越多，工藝成本就越低。但是，由于光的波動(dòng)性，相鄰元件之間的光子之間會(huì )發(fā)生串擾，因此很難提高光子半導體的集成度。研究團隊發(fā)現了一種新的光耦合機制，并開(kāi)發(fā)出了一種即使在以前被認為不可能的偏振條件下也能提高集成度的方法。金相植教授表示：「這項研究的有趣之處在于，它利用了以前被認為會(huì )增加光混亂的漏波（具有向側面擴散性質(zhì)的光），反而消除了混亂?！顾a充說(shuō)：「如果我們應用這項研究發(fā)現的利用漏波的光耦合方法，我們將能夠開(kāi)發(fā)出更小、噪音更小的各種光半導體設備?！?/p>

韓國工業(yè)技術(shù)研究院西南商業(yè)化總部納米技術(shù)指導中心最近成功完成了基于微機械系統（MEMS）技術(shù)的高附加值光半導體商業(yè)化基礎設施建設項目，并開(kāi)始全面運營(yíng)。該項目于 2020 年 6 月至去年 9 月期間共投入 98 億韓元，其中國家資金 69 億韓元，市政資金 29 億韓元，旨在建設基于 MEMS 的光學(xué)半導體的開(kāi)發(fā)、驗證、測試和評估基礎設施，以推動(dòng)光學(xué)半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過(guò)新安裝等離子增強化學(xué)氣相沉積（PE-CVD）、高速蝕刻設備（Deep RIE）和曝光設備（Stepper）等 8 英寸對應設備作為核心設備，完成了集成工藝線(xiàn)。通過(guò)此舉，預計將大大提高該地區與 MEMS 傳感器和第五代（5G）對應設備等光學(xué)半導體相關(guān)的中小型公司的技術(shù)水平。

中國光子芯片企業(yè)落戶(hù)天津

中國第一家光子半導體代工廠(chǎng)中科鑫通在 2023 年年底宣布將在天津建設中國第一家光子半導體代工廠(chǎng)。中科鑫通光子芯片代工產(chǎn)線(xiàn)預計于 2025 年建成并投產(chǎn)，屆時(shí)將為光通信、數據中心、人工智能、微波光子、無(wú)人駕駛、生物傳感以及量子信息等領(lǐng)域客戶(hù)提供包括薄膜鈮酸鋰、氮化硅等材料的光子晶圓代工服務(wù)，可為光子芯片產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控打下堅實(shí)基礎。

清華大學(xué)的研究團隊宣布，開(kāi)發(fā)了一種利用光子技術(shù)以更低的功耗提高性能的 ACCEL 芯片。研究團隊研發(fā)的 ACCEL 芯片由中國半導體代工廠(chǎng)中芯國際采用已有 20 年歷史的傳統晶體管制造工藝制造，在實(shí)驗室環(huán)境下記錄了 4.6 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運算（PFlops）的計算速度。1 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運算（PF）相當于每秒進(jìn)行 1000 萬(wàn)億次計算，比 Nvidia 的 A100 圖形處理單元（GPU）快 3000 倍。通過(guò)使用極少的電能，能源效率得到提高。研究人員解釋稱(chēng)，ACCEL 僅用現有半導體一小時(shí)的用電量就能運行 500 年以上。隨著(zhù)用電量減少，熱量散發(fā)也隨之減少。發(fā)熱量減輕后，小型化就更容易了。據評估，該芯片很難立即實(shí)現商業(yè)化，但預計通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，可以應用于可穿戴設備、電動(dòng)汽車(chē)、智能工廠(chǎng)等尖端技術(shù)。
光子半導體的量產(chǎn)也在進(jìn)行研究。據悉，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所的研究團隊開(kāi)發(fā)出了一種能夠量產(chǎn)的光子半導體量產(chǎn)技術(shù)?，F有的光子芯片由鈮酸鋰制成，但制造難度大，進(jìn)展困難。因此，中國科學(xué)院研究團隊采用了鉭酸鋰，這是一種單晶薄膜，具有與鈮酸鋰類(lèi)似的電光轉換特性，且易于制造。鉭酸鋰是一種用于光學(xué)和電子器件的晶體材料，用于超聲波發(fā)生器、光開(kāi)關(guān)和激光器等領(lǐng)域。
在此基礎上，研究團隊應用異質(zhì)集成技術(shù)制造出高質(zhì)量的硅基鉭酸鋰薄膜晶片。此外，還開(kāi)發(fā)了超低損耗鉭酸鋰光子器件納米加工方法，并以此成功制造出鉭酸鋰光子芯片。

代工巨頭全力推進(jìn)光子半導體商業(yè)化

臺積電正與英偉達、Broadcom 等大型無(wú)晶圓廠(chǎng)公司合作，共同開(kāi)發(fā)硅光子和封裝技術(shù)，據悉，已組建了 200 多人的研發(fā)團隊，開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)。據業(yè)內人士透露，預計最早在今年或明年就開(kāi)始量產(chǎn)。

英特爾 2016 年正式推出了基于硅光子的光收發(fā)器，可通過(guò)光纖電纜以 100 千兆位/秒（Gb）的速度傳輸數據。英特爾計劃通過(guò)與以色列半導體公司 Tower Semiconductor 的積極合作，確保光子半導體領(lǐng)域的領(lǐng)導地位。Tower Semiconductor 是一家專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā) CMOS 傳感器和 PMIC（電源管理半導體）等模擬半導體的代工廠(chǎng)，同時(shí)也擁有自己的硅光子開(kāi)發(fā)平臺。