在当前的血糖监测领域,国际上更推荐的方法是CGM(Continuous Glucose Monitoring,连续血糖监测),该方案通过通过植入皮下感应器24小时连续监测葡萄糖水平,并将其中的数据发送到电脑,以软件分析患者的血糖状况。而早在2010年完成对RareLight的收购后,苹果就开始研究替代性的血糖监控技术,采取的是完全区别于传统采血测量的“光学吸收光谱”(Optical Absorption Spectroscopy)技术,“无创”更是依赖于苹果设计的硅光芯片和传感器。如果未来真正可以将硅光芯片集成到苹果手表当中,这一应用将成为硅光技术从工业市场“下沉”到消费电子市场的成功案例,硅光技术也将实实在在融入到生活中的方方面面,在医疗健康、高性能计算、智慧生活等方面为社会发展提供助力。相比于使用晶体管的传统芯片来说,硅光芯片设计的核心是用“光”来代替“电”,利用硅光子技术将光电功能通过半导体工艺集成到硅基芯片中,当电流流到转换模块时,通过光电效应把电信号转换为光信号,进而发射到电路板上铺设的超细光纤中,当光信号到另一块芯片后再转换为电信号,提升芯片间的连接速度。与主要依赖于普通硅材料不同,硅光子技术采用的基础材料是玻璃。由于光对于玻璃来说是透明的,不会发生干扰现象,理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号,很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。其实,“以光代电”的产品在日常生活中已经很常见,例如光纤就是用光信号传播取代早期的铜缆传播电信号,极大提升了网络的带宽。不过,如果仅使用光信号来通信,会大大受限于光学设备的体积,很难把复杂的光电转换模块缩小到纳米尺寸,在芯片级的尺度上使用。虽然在实验室中不断有突破出现,但良率和成本始终无法达到量产的要求,同时,PCIe等总线技术的发展使得带宽不断提高,也让这条技术路线淡出了大家的视线。不过,随着集成电路的制程已经接近摩尔定律的极限,硅光子技术又重新走入了厂商的视线。硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率,可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高。此外,用光代替电进行信息传输,功耗也远低于传统方式,对散热的要求大幅度降低。从时间上来看,2019年后是硅光发展的起飞阶段,各大厂商逐渐把过去几十年的学术成果开始往产业上转移,开启了真正意义上硅光子技术的批量生产。根据英特尔的硅光子产业发展规划,硅光模块产业已经进入快速发展期,而英特尔作为硅光子领域的“带头人”,他们的硅光产品也最早脱离实验室,以批量生产的方式交付给客户。从应用的角度来看,除了可穿戴设备之外,硅光技术在未来的应用主要还有以下几个方面:硅光技术不仅能大幅提高芯片互联带宽,还远比传统电路节省能源和散热需求,对云计算产业意义重大。当芯片间信号通路改用光路后,大量芯片的联合计算性能会成倍增长,同时总体能耗明显下降,大大提高了服务器集群的效率。在云计算与大数据方面,400G、800G的高速光模块也将持续推动云计算数据中心建设,满足大量数据交换需求。
在自动驾驶方面,硅光芯片的的应用目前主要集中于激光雷达方向。车载激光雷达技术需要多路激光发射和接收,所以对于多路信号控制十分依赖,而这恰恰是硅光芯片的优势,高度集成性和电光效应相位调谐能力使得它非常适宜在车载激光雷达上取代传统芯片。
在量子通信领域,硅光芯片则凭借其特性实现了对纠缠态光子的操纵控制。2021年7月时,中国科大教授潘建伟、张军等联合浙江大学储涛教授研究组,就通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理,实现了速率高达18.8Gbps的实时量子随机数发生器。
5G承载网络一般分为城域接入层、城域汇聚层、城域核心层/省内干线等,可以实现5G业务的前传、中传和回传功能,但实现不同的功能特性需要采用不同规格的光模块和光芯片。光模块不仅是5G网络物理层的基础构成单元,也是基站和传输设备中的核心部件,可以满足5G时代针对无人驾驶、VR、远程医疗等领域对通信的速率和时延的更高要求。
根据LightCounting的数据,2020年硅光模块市场规模约为20亿美元,预计到2026年时,硅光模块市场规模将接近80亿美元,硅光方案市场份额有望从25%提升至50%以上。2021年底,阿里巴巴达摩院将硅光芯片列入2022十大科技趋势之一。在达摩院看来,硅光子和硅电子芯片取长补短,充分发挥二者优势,将促使算力的持续提升。未来3年,随着云计算与人工智能的大爆发,硅光芯片将迎来技术快速迭代与产业链高速发展,承载起绝大部分大型数据中心内的高速信息传输;未来5-10年,以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。早在2014年,美国就建立了“国家光子计划”产业联盟,明确将支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发,支持4大研究领域及3个应用能力技术开发,并提出了每一项可开发领域的机会和目标。2022年6月时,荷兰决定投资11亿欧元,以促进新一代硅光子技术企业的发展,为打造下一个阿斯麦做好准备。荷兰的此项投资是为了抢占未来半导体市场,发掘类似阿斯麦的新尖端企业的战略。2015-2016年时,伴随摩擦加剧,英特尔和Acacia等厂商先后被禁止向国内厂商供应硅光芯片与模块,我国自此也开始了加速硅光技术国产替代的进程:
- 2017年时,上海市政府就将硅光子列入首批市级重大专项,面向硅光子全产业链,针对国内发展硅光子最为短缺的工艺平台、核心关键技术和关键产品研发精准布局,开展激光雷达、人工智能计算芯片、大规模光开关、3D光电集成等具有巨大应用潜力的前沿研究;
- 2018-2020年,NOEIC联合产业力量先后推出100G硅光子芯片和4*200G硅光发射机,实现技术突破;
- 今年2月23日,北京市经济和信息化局、北京市财政局发布了《2023年北京市高精尖产业发展资金实施指南(第一批)》征求意见稿。从原文件内容来看,2023年将对开展新型智能计算芯片、新型存储器、开源处理器、硅光芯片等前沿领域中的重点工程产品首轮流片(全掩膜)的企业,按不超过产品流片费用的50%予以奖励,单个企业支持最高不超过 2000万元。