國家信息光電子創(chuàng)新中心牽頭完成的《硅基光電子集成技術(shù)前沿報告》在CICC 2020成功發(fā)布

  12月5日，由中國通信學會光通信委員會組織編審、國家信息光電子創(chuàng)新中心牽頭完成的《硅基光電子集成技術(shù)前沿報告》，在四川成都舉行的“2020中國信息通信大會”上正式發(fā)布，獲得熱烈反響。

  信息光電子芯片作為通信系統(tǒng)的“心臟”，是信息通信的核心和基石。硅基光電子集成技術(shù)(以下簡稱：硅光技術(shù))是信息光電子領(lǐng)域光電子和微電子融合的新興技術(shù)，其基于硅材料并借鑒大規(guī)模集成電路工藝中已成熟的CMOS工藝進行光器件制造，同時具有低成本、低功耗、微小尺寸和“與集成電路工藝一體化”等優(yōu)勢。建立健全硅光產(chǎn)業(yè)鏈，是我國占據(jù)全球信息通信價值鏈尖端的“關(guān)鍵一招”，能有效提升我國信息光電子制造能力，對緩解我國信息通信高端光電子芯片“卡脖子”困境、推動“數(shù)字中國”和“兩個強國”建設(shè)等都具有重要意義。

  在此背景下，中國通信學會聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心，由學會副理事長余少華院士牽頭編寫“硅光技術(shù)能否促成光電子和微電子融合?”成功入選2020年中國科協(xié)十大工程技術(shù)難題。8月15日，中國科協(xié)在“第二十二屆”中國科協(xié)年會閉幕式上正式全球發(fā)布。

  鑒于國家部委領(lǐng)導(dǎo)、業(yè)內(nèi)技術(shù)專家等都非常關(guān)心硅光技術(shù)現(xiàn)狀、難點和未來發(fā)展，中國通信學會聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心等單位組織專家進行研討，并凝練形成“2020硅基光電子集成技術(shù)前沿報告”一份。該報告系統(tǒng)地介紹了硅光技術(shù)誕生背景、技術(shù)定義與特點、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀等幾方面情況，在此基礎(chǔ)上針對微電子與光電子融合技術(shù)難題和挑戰(zhàn)，提出了硅光芯片技術(shù)發(fā)展趨勢預(yù)測和相關(guān)政策建議。

  新聞背景

  全球硅光技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得益于大容量數(shù)據(jù)通信場景日益增加以及新需求、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，經(jīng)過20余年快速發(fā)展，已逐漸從學術(shù)研究驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鲂枨篁?qū)動。同時，硅光芯片前所未有的光電融合能力，給未來芯片性能的飛躍帶來無限的可能性。

  在信息通信領(lǐng)域，已基本建立了面向數(shù)據(jù)中心、光纖傳輸、5G承載網(wǎng)、光接入等市場的一系列硅光產(chǎn)品解決方案。根據(jù)行業(yè)調(diào)查機構(gòu)的預(yù)測，2020年硅光模塊市場將達到7.4億美元，預(yù)計至2024年僅100G-400G硅光模塊市場容量即可達到55億美元，在整個光通信模塊市場占比達到1/3以上。

  在量子領(lǐng)域，研究人員通過在硅光芯片上集成數(shù)百個光量子器件已研制出集成度最復(fù)雜的光量子芯片，實現(xiàn)了高維度、高精度、高穩(wěn)定性和可編程的量子糾纏、量子操控、量子傳輸和量子測量。

  在傳感領(lǐng)域，MIT、Voyant Photonics等多個團隊推出基于硅基光學相控陣(OPA)芯片的全固態(tài)激光雷達(LiDAR)，具有集成度高、掃描速度快、體積小、成本低等優(yōu)勢，可以用作無人駕駛、無人機及機器人的“眼睛”，成為下一代激光雷達的重要革新。

  在人工智能(AI)領(lǐng)域，AI處理器芯片需進行的高通量、大規(guī)模矩陣運算可由硅光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算單元來完成，研究顯示光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片比傳統(tǒng)電子計算機有兩個數(shù)量級速度提升，且功耗降低達三個數(shù)量級。

  在新型微處理器領(lǐng)域，美國Intel、Ayar Labs、GlobalFoundries等國外研發(fā)機構(gòu)正在致力于實現(xiàn)硅光芯片與高性能微電子芯片的融合，并已驗證了集成硅光I/O芯片的新一代FPGA、CPU和ASIC芯片，預(yù)計可將處理下的吞吐速率提升100倍，同時能耗降低至1/10，為“超越摩爾”開辟了新路徑。

  “十三五”期間，我國硅光產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善、基礎(chǔ)研究不斷取得突破、技術(shù)標準相繼形成、產(chǎn)品解決方案日趨完善。技術(shù)研發(fā)方面，通過各類國家計劃(973、863、NSFC 等)累計投入幾十億元，十三五也啟動了“光電子與微電子器件與集成”重點專項。其中很多項目圍繞持硅基光電子方面支持，國內(nèi)單位在硅基激光器/調(diào)制器/探測器等高性能單元器件、硅光片上復(fù)用技術(shù)、硅光量子芯片、硅光芯片傳輸功能研究和系統(tǒng)應(yīng)用驗證等核心技術(shù)方面取得重要進展，部分硅光技術(shù)基礎(chǔ)研究也已接近國際一流水平;產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，國內(nèi)企業(yè)已建立了用于數(shù)據(jù)中心、光纖傳輸、5G承載網(wǎng)、光接入等場景的一系列硅光產(chǎn)品解決方案，部分關(guān)鍵產(chǎn)品已基于自主研發(fā)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化突破。以國家信息光電子創(chuàng)新中心為例，近年來多次在硅光技術(shù)上取得突破。2018年，創(chuàng)新中心正式投產(chǎn)我國首款100Gb/s硅光芯片，標志著國內(nèi)硅光芯片規(guī)模產(chǎn)業(yè)化“從零到一”突破。2019年，中國信科集團聯(lián)合創(chuàng)新中心，基于自主硅光芯片和特種光纖完成我國首個Pb/s光傳輸系統(tǒng)實驗。2020年，創(chuàng)新中心成功研制出首款800G硅光發(fā)射機樣機，為未來數(shù)據(jù)中心光模塊提供解決方案。目前，華為、阿里巴巴、海信、亨通Rockley、賽勒光電等國內(nèi)企業(yè)也相繼展示自主研制的硅光產(chǎn)品。在硅光芯片制造方面，重慶聯(lián)合微電子、中科院微電子所、上海微技術(shù)工業(yè)研究院等單位正在致力于8英寸硅光工藝線的建設(shè)。以上進展標志著我國已基本構(gòu)建起從設(shè)計仿真、芯片制造、封裝測試到系統(tǒng)應(yīng)用的硅光技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈條。