李培剛
北京郵電大學教授、博士生導師
當下科技競爭日趨激烈，最受人關注的晶片技術更是日新月異。當IBM研發出2納米制程晶片的訊息尚未傳開，臺積電和其合作伙伴就宣佈取得了1奈米以下製程晶片技術突破。業內普遍認為，人類正一步步逼近電子晶片的物理理論極限。
矽光晶片具有高運算速度、低功耗、低時延等特點，且不必追求工藝尺寸的極限縮小，在製造工藝上，也不必像電子晶片那樣嚴苛，必須使用極紫外光刻機（EUV）。
那麼，矽光晶片能否突破摩爾定律的“天花板”，開闢新的“賽道”？
仍存需要突破的技術瓶頸
“矽光子技術的概念很早就有人提出了，但是要做好矽光晶片，並不是很容易。”北京郵電大學教授、博士生導師李培剛告訴科技日報記者，早在上世紀90年代，IT從業者就開始為傳統半導體晶片產業尋找繼任者，光子計算一度被認為是最有希望的未來技術。“因技術上的原因，直到21世紀初，以Intel和IBM為首的企業與學術機構才率先重點發展矽晶片光學訊號傳輸技術，期望能用光通路取代晶片之間的資料電路。”李培剛說。
李培剛告訴記者，矽光晶片製造技術是基於矽和矽基襯底材料，利用互補金氧半導體（CMOS）工藝進行光器件開發和整合的技術，其結合了積體電路技術超大規模、超高精度製造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢，與現有的半導體晶圓製造技術是相輔相成的。
李培剛表示，我國十分重視矽光晶片產業的發展。但剛開始時，國內的高階矽光晶片以設計為主，流片主要還是在國外，晶片製備的週期長、成本高，制約了我國矽光子技術的發展，“加之國外限制中國的晶片技術發展，採取了一系列措施，對我國矽光晶片企業的發展造成了較嚴重的影響。”
李培剛告訴記者，矽光技術發展主要可以分為3個階段：第一，矽基器件逐步取代分立元器件，即用矽把光通訊底層器件做出來，達到工藝的標準化；第二，整合技術從耦合整合向單片整合演進，實現部分整合，再把這些器件像樂高積木一樣，透過不同器件的組合，整合不同的晶片；第三，光電一體技術融合，實現光電全整合化。把光和電都整合起來，實現更加複雜的功能。“目前矽光技術已經發展到了第二階段。”李培剛說。
在他看來，儘管矽光技術日趨成熟，矽光晶片即將進入規模化商用階段，但是仍存在需要突破的技術瓶頸，如設計工具非標準化、矽光耦合工藝要求較高以及晶圓自動測試及切割等存在技術性挑戰。
李培剛認為，我國在矽光晶片的研發上已經取得了技術突破，但在產業化方面，國產矽光晶片產業化技術還存在一些問題，包括結構設計、製造工藝、器件封裝和應用配套等，需要不斷髮展成熟，“除了技術本身，矽光晶片的產業化也會受到材料、工藝、裝備、軟體、人才以及市場生態等綜合因素的影響。所以，在對技術方面的研發進行投入之外，形成一個好的產業生態，搭建平臺、最佳化生態，產業鏈上下游加大合作，對於矽光晶片的發展也是非常重要的。”李培剛說。
我國矽光晶片發展迅速
2017年11月28日，工信部正式批覆同意武漢建設國家資訊光電子創新中心，該中心由光迅科技、烽火通訊、亨通光電等國內多家企業和研發機構共同參與建設，匯聚了國內資訊光電子領域超過60%的創新資源，承載著解決我國資訊光電子製造業“關鍵和共性技術協同研發”及“實現首次商業化”的戰略任務，著力破解資訊光電子“缺芯”的局面。
2017年，上海市政府將矽光子列入首批市級重大專項，投入大量經費，佈局矽基光互連晶片的研發和生產，旨在打造矽光晶片全產業鏈，掌握關鍵核心技術，讓國內企業擺脫對國外供應商的依賴。
2018年10月，由重慶市政府重磅打造的國家級國際化新型研發機構聯合微電子中心有限責任公司在重慶註冊成立，首期投資超100億元。
工信部2017年底釋出的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018—2022年）》指出，目前高速率光晶片國產化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子晶片的國產化率超過60%，高階光電子晶片國產化率突破20%。
在政策支援下，我國矽光晶片發展迅速。2018年1月，國內第一個矽光子工藝平臺在上海成立，縮小了我國在加工製造上與國外的差距。
2018年8月29日，中國信科宣佈我國首款商用“100G矽光收發晶片”正式投產。
2019年9月，聯合微電子中心有限責任公司實現了8英寸矽基光電子技術工藝平臺的通線。僅僅幾個月，其自主開發的矽光工藝就達到了非常好的水平，並正式向全球隆重發布“180nm成套矽光工藝PDK”，這標誌著該公司具備矽基光電子領域全流程自主工藝製造能力，開始向全球提供矽光晶片流片服務。
國家層面，支援矽光技術的利好政策紛至沓來，各地政府也紛紛入局。上海市明確提出發展光子晶片與器件，重點突破矽光子、光通訊器件、光子晶片等新一代光子器件的研發與應用，對光子器件模組化技術、基於CMOS的矽光子工藝、晶片整合化技術、光電整合模組封裝技術等方面的研究開展重點攻關。湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把矽光晶片作為“十四五”期間的重點發展產業。“根據各地的規劃來看，很難看出各地佈局實質性差異。各地將發揮自己原有的晶片產業基礎，並積極引進新的企業，各盡所能發展矽光晶片產業。”李培剛說。
光與電未來將攜手共贏
矽光技術因其諸多特性，已經成為業界下一個追逐的目標。隨著產業化技術的不斷成熟，產業環境不斷最佳化，我國矽光晶片產業正蓄勢待發。
根據英特爾的矽光子產業發展規劃，矽光模組產業已經進入快速發展期。2022年，矽光子技術在每秒峰值速度、能耗、成本方面將全面超越傳統光模組，預測矽光模組的市場增速為40%，2024年達到39億美元，屆時有望佔據整體市場規模的21%。
“目前來看，光和電是在兩個‘賽道’上，各有自己的應用場景。在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電整合，要實現全光計算還需要很長的一段時間。”李培剛說，光子積體電路雖然目前仍處於初級發展階段，不過其成為光器件的主流發展趨勢已成必然。
“總體來說，目前只在個別計算和傳輸領域，光子晶片可以替代電子晶片。”李培剛說，在製造工藝上，兩者雖然在流程和複雜程度上相似，但光子晶片對結構的要求不像電子晶片那樣嚴苛，一般是百奈米級，“這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當前晶片發展的瓶頸問題”。
“光有光的優勢，電有電的優勢。”李培剛說，在某些應用場景中，兩者有競爭，但更多的時候，二者是共贏關係。
“矽光晶片技術目前還沒有電子晶片成熟，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，電子積體電路和光子積體電路之間是互補的關係。“未來我們可以充分利用光子積體電路高速率傳輸和電子積體電路多功能、智慧化的優點，在新的‘賽道’上跑出更好成績。”李培剛說。
記者 吳長鋒
來源： 科技日報
