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硅基光電子芯片是目前半導(dǎo)體芯片發(fā)展的最高級階段。本圖由作者提供。

撰文 | 周治平 

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芯片是一個(gè)既熟悉又生疏的話題。我們每個(gè)人都聽說過芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特別是最近，除了科研院所，政府機(jī)關(guān)，資本市場在認(rèn)真對待以外，在商店里，火車上，豬肉店，水泥廠也有人在討論芯片，有的還打算去創(chuàng)業(yè)造芯片。然而，絕大多數(shù)人都沒有真正見過芯片長什么樣，更不用說了解它們的工作原理并區(qū)分不同的芯片了。

大約在60多年前，人們就開始在硅片上進(jìn)行芯片加工了。當(dāng)時(shí)的芯片非常簡單，有的只有一個(gè)晶體管，但是已經(jīng)展現(xiàn)出在尺寸、能耗、和價(jià)格方面超越電子管的巨大優(yōu)勢。那個(gè)時(shí)代叫晶體管時(shí)代。

然后到了大家熟悉的集成電路時(shí)代，經(jīng)過光電子時(shí)代，又到了現(xiàn)在這個(gè)大家生疏的硅基光電子時(shí)代。這些不同的時(shí)代實(shí)際上是借助了半導(dǎo)體芯片的發(fā)展而實(shí)現(xiàn)更迭的。

正如人體心臟的主要功能是推動血液流動，向其他器官、組織提供充足的血流量，以維持它們正常的代謝和功能一樣，在今天的信息社會里，半導(dǎo)體芯片擔(dān)負(fù)著處理信息，并且向各行各業(yè)各個(gè)角落傳遞信息的功能。芯片功能的強(qiáng)弱決定了信息社會的強(qiáng)弱。缺乏核心芯片引起的“芯”痛則可能導(dǎo)致信息社會停滯，甚至消亡。

要想真正地了解芯片，第一步就是把下面的四個(gè)基本概念弄清楚。什么是電子？什么是光子？什么是光譜？什么是半導(dǎo)體？這些名詞聽起來好像非常的玄，但實(shí)際上非常好理解。

電子和光子都是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。大量電子形成的電流，通過金屬導(dǎo)線傳輸；大量光子形成光束通過光波導(dǎo)傳播。不同的是，電子和電子之間可以相互作用：兩束電流相交將形成短路，合為一體；光子之間的相互作用就不那么容易了：兩束光相交叉以后，仍然各走各的路。

光譜是光子的特征，表達(dá)光子的不同頻率分布?？梢苑謩e攜帶不同的信息。因此，在一根電線里只可以傳輸一路信號；而在一根光波導(dǎo)里則可以同時(shí)傳輸許多路不同的信號，使通信容量和速度大大地增加。

半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。常見的半導(dǎo)體有硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等，硅是各種半導(dǎo)體中，在商業(yè)應(yīng)用上最為成功的一種。

在半導(dǎo)體晶體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，使其導(dǎo)電性能可控，這一特性使半導(dǎo)體成為制造電子芯片的最佳材料。

半導(dǎo)體中電子和光子擁有強(qiáng)烈的相互作用：加電可以發(fā)光；光照可以發(fā)電。它們是光電子芯片的基礎(chǔ)。

迄今為止，四種不同的芯片都是在半導(dǎo)體材料上發(fā)展起來的，也可以被叫做半導(dǎo)體芯片。它們是依賴電子、光子、或者光電相互作用，決定了它們的特征和用途。

自從1897年湯姆森證實(shí)電子的存在以來, 電子經(jīng)歷了電真空時(shí)代（1905），晶體管時(shí)代（1947），來到了集成電路（1958）時(shí)代。所謂的集成電路也就是電子芯片的一種，就是我們大家每天都聽說的，每天都在用的IC芯片。集成電路主要以硅為材料，它的一個(gè)重要特征就是僅僅只利用電子來作為信息載體。

借助于摩爾定律的推動以及芯片公司和儀器設(shè)備公司的努力，電子產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)成為了全球經(jīng)濟(jì)不可分割的一部分。

光子這個(gè)名稱是在1927年才被人們所認(rèn)可。經(jīng)歷了空間光學(xué)時(shí)代和集成光學(xué)時(shí)代，專家學(xué)者們在30多年以后，借用了電子學(xué)發(fā)展的路徑，利用類似的技術(shù)和方法，將大型的光學(xué)元器件集成到了一個(gè)小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的重要特征就是僅僅利用光子作為信息載體，不需要電子的參與。

由于光子之間的相互作用非常微弱，無法形成低成本、低能耗的功能器件，產(chǎn)業(yè)規(guī)模受限到基本上沒有。因此，目前光子芯片的研發(fā)重點(diǎn)主要聚焦在基礎(chǔ)研究，而不是產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

前面講到的兩個(gè)芯片，都有自己非常嚴(yán)重的局限性。比如電子芯片，由于受到電子本身在半導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)動速度的限制，它的主頻只有幾個(gè)GHz。而光子芯片，由于光子本身的弱相互作用，基本上也就是一個(gè)無源器件，功能非常受限。

為了解決上述問題，人們自然而然地就想到了將光子和電子結(jié)合起來。實(shí)際上正是人們在研究光子的過程中，發(fā)現(xiàn)它與電子有密不可分的關(guān)系：半導(dǎo)體材料可以通過吸收光子而產(chǎn)生電子，也可以通過電子的湮滅而發(fā)射光子。由此開啟了光電子學(xué)的研究，并發(fā)明了激光器和光探測器——最簡單的光電子芯片。光電子芯片的時(shí)代始于上世紀(jì)70年代。為了獲得更強(qiáng)的光電效應(yīng)，早期的光電子芯片基本上都是在砷化鎵、磷化銦材料上制作的。但是，這些材料既難于加工，也很難做成像硅單晶那么大的尺寸。因此用它來制作的光電子芯片成本很高，且由于集成度不高，功能非常單一。

光電子芯片的出現(xiàn)，給了通信行業(yè)，特別是光通信行業(yè)，一個(gè)高速發(fā)展的機(jī)會。由于高性能激光器、摻鉺光放大器、波分復(fù)用器的出現(xiàn)，通信系統(tǒng)不僅由電纜傳輸切換到光纖傳輸，而且從單線單路發(fā)展到單線多路，大大地提升了通信系統(tǒng)的傳輸速率和通量，降低了成本，使許多家庭感受到了光纖到戶的好處，為即將到來的大數(shù)據(jù)時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

通過對上述三種芯片的介紹可以發(fā)現(xiàn)：由于電子和光子的固有特性不一樣，他們在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面的發(fā)展也是完全不同的。

電子之間有強(qiáng)相互作用，因此形成了 “電子產(chǎn)業(yè)”；光子之間基本上沒有互動，也就無法形成自己的產(chǎn)業(yè)。

而目前與光子相關(guān)的產(chǎn)品，除了光波導(dǎo)，基本上都是光電共同作用的產(chǎn)物?！肮怆姰a(chǎn)業(yè)” 也已經(jīng)廣泛進(jìn)入消費(fèi)市場。

“光子產(chǎn)業(yè)” 只是個(gè)概念，根本無法進(jìn)入消費(fèi)市場，除非把“光電產(chǎn)業(yè)”改名為 “光子產(chǎn)業(yè)”。

縱觀半導(dǎo)體芯片的發(fā)展歷史，電子芯片/集成電路、光子芯片、光電子芯片都僅僅只是其中的一個(gè)特殊階段。而半導(dǎo)體芯片目前的發(fā)展趨勢就是將它們有機(jī)地統(tǒng)一集成到硅襯底上，形成一個(gè)嶄新的 “硅基光電子芯片”。

眾所周知，指導(dǎo)微電子發(fā)展的 “摩爾定律” 基本失效，集成電路芯片的發(fā)展趨于飽和。在另一方面，由于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息高速公路體系中各層分支線路上的數(shù)據(jù)流量也大大增加。為了提高芯片的速度，美國等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的科學(xué)家在90年代中期就提出了光互連的概念，使 “光進(jìn)銅退” 延伸到了芯片內(nèi)部。他們使用與硅基集成電路技術(shù)兼容的技術(shù)和方法，將微納米級的光子、電子、及光電子器件集成在同一硅襯底上，形成硅基光電子芯片。

說的通俗一點(diǎn)，就是為了應(yīng)對人們對數(shù)據(jù)流量需求的不斷增長，而電子芯片無能為力的情況下，將光子加入到目前的硅基集成電路中間去，形成一個(gè)既快速又便宜的新型大規(guī)模光電集成芯片。

IBM、英特爾、臺積電、格羅方德、思科、Acacia等多家大型公司已經(jīng)對硅基光電子芯片進(jìn)行了商業(yè)化的批量生產(chǎn)，而且以硅基光電子芯片為核心的光模塊也在數(shù)據(jù)中心和通信系統(tǒng)中獲得了大量應(yīng)用，硅基光電子產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成。

硅基光電子芯片可以在算力、能耗、成本、尺寸方面帶來極大的優(yōu)勢。人們預(yù)期，它不僅可以支撐大數(shù)據(jù)時(shí)代的通信設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、超級計(jì)算、物聯(lián)傳感、人工智能等產(chǎn)業(yè)，更有可能在不久的將來進(jìn)入消費(fèi)市場。

人們對電子、光子的了解，對由此產(chǎn)生的技術(shù)時(shí)代的更迭，導(dǎo)致了信息社會的出現(xiàn)及發(fā)展。而信息社會對小巧、廉價(jià)、低能耗器件和系統(tǒng)的偏愛催生了各種各樣的半導(dǎo)體芯片。

最早出現(xiàn)的電子芯片，或者說，集成電路得益于硅材料和CMOS器件的完美結(jié)合，具有尺寸小，成本低，集成度高的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)是全球經(jīng)濟(jì)不可分割的一部分，也已經(jīng)成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展速度也飽和趨緩。

光子芯片利用光子作為信息載體。由于光子之間的相互作用非常微弱，無法形成低成本、低能耗的功能器件，也就無法形成自己的產(chǎn)業(yè)。

光電子芯片注重光子與電子之間的相互作用，擁有多通道，大帶寬，高速率的特點(diǎn)，是支撐高速通信的關(guān)鍵技術(shù)。但由于是在砷化鎵、磷化銦材料上制作，因此，很難做到低成本和高集成度。

硅基光電子芯片是目前半導(dǎo)體芯片發(fā)展的最高級階段。是將上述三種芯片中的基本元素在硅襯底上異質(zhì)集成而獲得的一款大規(guī)模光電集成芯片。被公認(rèn)為是后摩爾時(shí)代的核心技術(shù)，大數(shù)據(jù)時(shí)代的基石。

作為宇宙萬物中的一員，芯片也是遵循著自然規(guī)律、分階段、循序漸進(jìn)地形成和發(fā)展的。特別地，芯片乃人智精氣之匯聚，是人們對前沿科學(xué)技術(shù)進(jìn)行長期研究與開發(fā)而凝練出來的一件藝術(shù)品，不是利用大量的金錢就能在短時(shí)間內(nèi)獲得的低門欄產(chǎn)品。

特定階段的芯片都會扮演特定的角色，都有它的優(yōu)點(diǎn)和不足。

在當(dāng)今這個(gè)以大數(shù)據(jù)、人工智能為特點(diǎn)的信息社會，單純的電子芯片/集成電路已經(jīng)不能夠滿足在數(shù)據(jù)傳輸和處理方面的需要，更不能帶來更上一層樓的時(shí)代更迭。

單純地強(qiáng)調(diào)光子的多路傳輸特點(diǎn)、光子芯片的概念，不僅不會做大光子產(chǎn)業(yè)，還有可能把 “強(qiáng)化國家戰(zhàn)略科技力量” 的努力引入歧途。

脫離電子芯片的基礎(chǔ)，忽略光子與電子之間的相互作用，而把硅基光電子芯片當(dāng)作光子芯片來研究，那是想要建造空中樓閣；而沒有一定的電子芯片制造條件和產(chǎn)業(yè)積累，那也是造不出先進(jìn)的硅基光電子芯片的。

硅基光電子芯片是建立在電子芯片的基礎(chǔ)上的。它不僅可以替代部分的高端集成電路，而且可以開辟一些新的應(yīng)用領(lǐng)域，正在形成一個(gè)比集成電路產(chǎn)業(yè)更大的硅基光電子產(chǎn)業(yè)。

唯有真正了解芯片，了解芯片的發(fā)展過程，了解芯片發(fā)展的不同階段，從基礎(chǔ)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)、到產(chǎn)業(yè)布局，都尊重芯片發(fā)展的自然規(guī)律，依靠扎扎實(shí)實(shí)地耕耘和適當(dāng)?shù)馁Y源配置，才能高效率地獲得核心芯片，不再 “芯” 痛。

2020.12.22 于北京中關(guān)園

本文由知識分子和中國激光微信公眾號聯(lián)合發(fā)布。