新型光子芯片正在改變未來

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

這個問題是眾所周知的：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，想一想當透過磨砂窗戶或當我們的眼鏡起霧時我們?nèi)绾慰吹轿矬w。這種效果與光學無線系統(tǒng)中攜帶數(shù)據(jù)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。

光學無線技術(shù)的新突破采用光子芯片，可有效塑造光以改善數(shù)據(jù)傳輸，這對于未來無線網(wǎng)絡和高速數(shù)據(jù)處理的進步至關重要。

創(chuàng)新光子芯片技術(shù)

這項研究中開發(fā)的設備是用作智能收發(fā)器的小型硅芯片：成對工作，它們可以自動且獨立地「計算」光束需要什么形狀，以便以最大效率穿過通用環(huán)境。這還不是全部，它們還可以生成多個重疊的光束，每個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，正如下一代無線系統(tǒng)所要求的那樣。

高效先進的加工

「我們的芯片是數(shù)學處理器，可以非?？焖儆行У乩霉膺M行計算，幾乎不消耗能源。光束通過簡單的代數(shù)運算（本質(zhì)上是求和和乘法）生成，直接對光信號執(zhí)行，并通過直接集成在芯片上的微天線傳輸。這項技術(shù)具有許多優(yōu)點：處理極其簡單、能源效率高以及超過 5000 GHz 的巨大帶寬。」米蘭理工大學光子器件實驗室負責人 Francesco Morichetti 解釋道。

轉(zhuǎn)向模擬技術(shù)

「如今，所有信息都是數(shù)字化的，但事實上，圖像、聲音和所有數(shù)據(jù)本質(zhì)上都是模擬的。數(shù)字化確實允許非常復雜的處理，但隨著數(shù)據(jù)量的增加，這些操作在能源和計算方面變得越來越不可持續(xù)。如今，人們對通過專用電路（模擬協(xié)處理器）回歸模擬技術(shù)抱有極大興趣，專用電路將成為未來 5G 和 6G 無線互連系統(tǒng)的推動者。我們的芯片就是這樣工作的，」米蘭理工大學微納米技術(shù)中心 Polifab 主任 Andrea Melloni 說道。

各領域應用

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

這項工作由 NRRP 和 RESTART 研發(fā)計劃「未來電信系統(tǒng)和網(wǎng)絡的研究和創(chuàng)新，讓意大利更加智能」共同資助。在 RESTART 計劃中，米蘭理工大學的 Andrea Melloni 教授和 Piero Castaldi 教授、Istituto TeCIP、Scuola Superiore Sant'Anna Pisa 領導了「HePIC」重點項目和「Rigoletto」結(jié)構(gòu)項目，旨在開發(fā)下一代光子學將支持未來 6G 基礎設施的集成電路和光傳輸網(wǎng)絡。

Yole：2028 年，硅光芯片市場將超過 6 億美元

自 2023 年初以來，圍繞硅光子學進行了大量炒作，并進行了大量投資，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的設計和架構(gòu)所取代，這似乎是合乎邏輯的。巨頭們預測光學將是必要的，并且很快就會變得普遍，而初創(chuàng)公司正在通過研發(fā)開發(fā)新的應用。那么，我們能否期待這一預測很快實現(xiàn)呢？

盡管關于光子學與電子學結(jié)合的必要性存在很多爭論，但最大的硅光子市場——數(shù)據(jù)通信可插拔設備——僅產(chǎn)生約 12% 的數(shù)據(jù)通信收發(fā)器收入（預計到 2028 年將達到 30%）。半導體市場正經(jīng)歷長期的下滑，導致客戶的購買行為更加務實。數(shù)據(jù)中心運營商更喜歡歷史悠久且低成本的技術(shù)解決方案。Yole Intelligence 的市場研究表明，硅光子學還不是一項主要技術(shù)，即使對于傳輸距離長達 500m 的數(shù)據(jù)中心內(nèi)互連也是如此。

在這種背景下，硅光子學仍然是一項正在積極開發(fā)的技術(shù)，具有廣泛的潛在應用，暗示著即將出現(xiàn)的充滿希望的機會。未來十年，領跑者將會出現(xiàn)，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。

Yole Group 在其新的《硅光子 2023》報告中估計，硅光子 PIC 市場到 2022 年價值 6800 萬美元，預計到 2028 年將產(chǎn)生超過 6 億美元的收入，2022-2028 年復合年增長率為 44% (CAGR2022) -2028）。這一增長主要是由用于增加光纖網(wǎng)絡容量的 800G 高數(shù)據(jù)速率可插拔模塊推動的。此外，對快速增長的訓練數(shù)據(jù)集大小的預測表明，數(shù)據(jù)將需要利用 ML 服務器中的光學 I/O 來擴展 ML 模型。

大量的數(shù)據(jù)中心需求，特別是在人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 領域，預計將推動未來十年的發(fā)展。憑借傳統(tǒng)的以處理器為中心的計算架構(gòu)和銅互連，基于 3nm 技術(shù)的最先進芯片正在接近其物理極限，同時對更快數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠搽S之激增。因此，硅光子學因其能夠促進高速通信而成為主要焦點。

包含光纖 I/O 的架構(gòu)可以簡化計算節(jié)點和內(nèi)存池之間的訪問，利用光纖的扇出功能最大限度地減少訪問資源所需的交換跳數(shù)。Broadcom 的戰(zhàn)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(jié)點）增加到 2025 年的 102.4 Tb/s（3 nm 工藝節(jié)點），并達到令人印象深刻的 204.8 Tb/s（2 nm 工藝節(jié)點）到 2027 年，這種指數(shù)級增長可以成為硅光子學在網(wǎng)絡應用中進步的重要催化劑，為未來顯著增強數(shù)據(jù)容量鋪平道路。硅光子學為具有大容量可擴展性需求的應用提供了一個多功能平臺。

其應用的主要和最直接的領域是數(shù)據(jù)中心，英特爾在該領域占據(jù)主導地位。第二個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。第三個廣泛的應用領域包括光學 LiDAR 系統(tǒng)，具有巨大的潛力，但面臨成本和 2D 光束掃描挑戰(zhàn)。3D 集成（將兩個芯片安裝在同一硅基板上）對于無縫控制至關重要。光學陀螺儀需要相當大的芯片來實現(xiàn)靈敏的旋轉(zhuǎn)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習領域至關重要。光計算是注重效率的任務的理想選擇，引起了業(yè)界的關注并有望產(chǎn)生重大影響。

先進的光子元件及其醫(yī)療用途集成可以改變醫(yī)療保健，實現(xiàn)更快、更精確的診斷、治療和患者監(jiān)測。臨床采用可能需要克服監(jiān)管和標準化挑戰(zhàn)?；诠韫庾拥尼t(yī)療應用前景廣闊，在各種醫(yī)療保健和醫(yī)療領域具有巨大潛力。將硅光子學擴展到可見光譜顯示了未來發(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(gòu)（UCSB、哥倫比亞大學、斯坦福工程學院、麻省理工學院等）；代工廠（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增長和多元化做出了貢獻。