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20年磨一劍,中國科學家回國創辦硅光子公司

摘要:中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員甘甫烷告訴 DeepTech,“中國比美國更敢投入,而且人員積累、工藝積累、資金的項目積累都做了很長時間,美國比我們走得早,但我們比美國走的更快”。

  ICC訊 用光子取代傳統集成電路中的電子,這是一個可能產生 “顛覆式的技術創新” 方向,中國比美國晚起步十年。但實際上,技術差距沒有十年那么久。

  中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員甘甫烷告訴 DeepTech,“中國比美國更敢投入,而且人員積累、工藝積累、資金的項目積累都做了很長時間,美國比我們走得早,但我們比美國走的更快”。

  甘甫烷從事硅光子研究近 20 年,回國前在“硅光子科研重鎮”麻省理工學院(MIT)獲得博士學位。2019 年在和上海交通大學的校友分享其在 MIT 的學術生涯時,他表示當時枯燥難懂的基礎知識尤其是電磁場的各種方程,在后來卻成了半導體研究的利器。在 MIT 讀博期間他學到最多的是 “創造、熱情、自信”。后來之所以回國,原因之一是被中國的科教興國戰略感召。

  圖 | 甘甫烷

  如今的他還有另外一個身份 —— 賽勒科技創始人。賽勒科技成立于 2018 年 3 月,是一家硅光芯片設計及產品解決方案提供商,目前也在積極探索如何清除硅光子生產道路上的障礙。

  在硅光子業內,一般通過以下指標來衡量產品是否優質:一是速率要足夠高,至少 50-100Gbps 的單波速率才有價值;二是損耗要足夠低,芯片內部要做到一個調制器低于 4 分貝;三是發送端(如調制器)的驅動電壓越低越好,一般要求在 2-3 伏之間,以降低功耗。

  與思科、Google、Facebook 這些競爭對手相比,賽勒科技的產品在同樣可以實現單通道 100Gbps 以上速率的同時,還能做到損耗相對較低,達到 3 分貝左右,而他們的競爭對手通常只能做到 4-5 分貝。此外,賽勒還可以實現單片的集成,采用全集成的方案,而不是硅光子和傳統技術的疊加。

  賽勒科技的方案是做三維層 —— 一層硅光子,一層 IC,一層光源,以期把硅光子最大的集成優勢發揮出來。在 2016-2017 年,甘甫烷團隊就制成了當時世界上硅光子集成度最高的器件。

  如今,他們已經可以實現每個通道 100Gbps、共 4 通道或者 8 通道的 4×100 或 8×100 集成?!百惱湛萍嫉漠a品目前在國內處于領先地位?!?甘甫烷表示。

  圖 | 光芯片的單片集成(來源:賽勒科技)

  目前,賽勒的產品處于快速發展中。在甘甫烷看來,這得益于他們團隊的兩項優勢。首先是隊伍優勢。賽勒年輕的團隊讓他們可以擁有對客戶需求的快速響應,例如芯片出光等領域,客戶提出需求之后,他們可以很快予以解決,夠把原來的東西重新做成一個新的格式,讓客戶接受。其次則是出色的供應鏈管理。

  賽勒與代工廠建立了非常緊密的合作關系,與客戶一起開發工藝,使得代工廠的工藝可以快速成熟。這已經超越了一般芯片設計公司的業務范疇,而是通過向代工廠提供很多寶貴的信息,使得后者能夠以最快的速度改進技術,滿足賽勒的需求。從這個意義上講,他們已經從單純的芯片設計,走向了硅光子芯片技術的開發。

  縱觀硅光子在全球的發展情況,美國是硅光子最先興起的、也是目前發展最超前的國家,早在 20 年前就開啟了利用 CMOS 工藝技術對硅光子的探索深入研究。目前,美國的硅光子在 Facebook、Google 等公司已經開始量產,芯片出光方面也已經實現 demo 級別,很快將進入量產階段。

  而國內真正開始大規模研究硅光子是在 2010 年左右,之前多為學術上的研究,起步晚導致中國在硅光子的產品化進程上不如美國。但中國對于硅光子技術研發方面人才和資金的大規模投入,使得發展程度上不至于晚于美國 10 年之久。

  甘甫烷形容,中國在硅光子領域的積累好比是十年磨一劍。他預計,有了人才、芯片工藝線、資金和市場的驅動,到 2022-2025 年大規模量產的時候,中國硅光子技術應該就很有機會和美國齊頭并進了。

  甘甫烷分析稱,在學術研究上,起步晚導致中國在硅光子的產品化進程上不如美國。但中國對于硅光子技術研發方面人才和資金的大規模投入,使得發展程度上不至晚于美國 10 年之久。

  中國在硅光子領域的積累好比是十年磨一劍。

  圖 | 摩爾定律正面臨失效風險(來源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

  硅光子芯片能替代集成電路芯片嗎?

  5G、人工智能、大數據等技術的爆發式發展,得益于芯片技術的持續迭代。反過來,日益增加的數據存儲計算、信息傳輸需求,也對芯片的性能提出越來越高的要求。

  然而,傳統芯片性能的進一步提升正在遇到瓶頸。雖然勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊在 2016 年已經將晶體管制程縮減到了 1nm,但繼續發展下去,單位面積芯片上晶體管的數量已經接近物理極限,芯片性能的增加正在受到限制。

  對于這一趨勢,各領域科學家以及產業分析師早已有所察覺,“摩爾定律失效在即” 已經成為了不少人的共識。摩爾定律是英特爾創始人之一戈登摩爾于 1965 年發現的一個趨勢,即單個芯片上可以容納的晶體管數目大約每經過 18-24 個月便會增加一倍,處理器的性能也將提升一倍。

  但經過幾十年的發展,由于單個芯片上晶體管的數目增長已經接近物理極限,除非出現顛覆式的技術創新,否則戈登摩爾所發現的 “規律” 很有可能無法再延續。

  而其中一個可能的 “顛覆式的技術創新” 方向,就是用光子取代傳統集成電路中的電子,來傳輸信號、進行計算。這便是所謂的 “以光代電”,用 “光子芯片” 來替代傳統的集成電路芯片。

  圖 | 光芯片很可能成為集成電路芯片的理想替代(來源:賽勒科技)

  不同于集成電路芯片需要將大量微電子元器件(晶體管、電阻、電容等)放在一塊塑基上做成形成的集成電路,硅光子芯片用硅做成芯片,利用硅的強大光路由能力,通過施加電壓產生持續的激光束驅動硅光子元件,來實現光信息的傳輸、計算等功能。

  “以光代電” 有三個明顯的優勢。中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員甘甫烷向 DeepTech 解釋到,“用光子來取代電子,可以實現整體性能的提升。第一,光的帶寬比電子大得多;第二,相比于電,光不容易受到干擾;第三,光本身可以做部分計算?!? 這樣一來,光子芯片便有可能大幅提升芯片的性能,讓摩爾定律得以延續。

  圖 | 光器件(來源:賽勒科技)

  據了解,光電混合技術已被應用于光纜傳輸。但 “計算能力上,目前光確實尚不足以完全替代電?!? 甘甫烷表示,“作為光子取代電子,更多的是基于光子帶寬大和不易受干擾這兩點?!?

  為什么用硅來做光子器件?

  “最早很多人做硅光子,是因為認為光有可能會延續摩爾定律的發展。特別是用硅來做的話,可以跟電的 IC 芯片進行單片集成,甚至替代電實現計算?!? 甘甫烷介紹到。

  在硅光子之前,用來做光器件的多為三五族材料(如銦、砷)。但三五族材料存在兩大問題,一是材料成本較高,例如砷元素,其實是砒霜的主要元素;二是生產工藝尚不成熟,產能無法與基于硅的集成電路成熟強大的產業鏈相提并論。

  而硅,是地球上除了氧之外含量最高的元素,沙石中最常見的元素就是硅,原材料成本非常低;再加上現在成熟的電路都是用硅實現的,經歷過幾十年摩爾定律的洗禮?;诠璨牧系募呻娐沸袠I十分完善很發達。因此,用硅來做光的器件,能夠充分利用現有的 CMOS 工藝(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互補式金屬氧化物半導體,集成電路行業常用的設計工藝)以及整個生產鏈,不需要額外高昂的成本,量產的可行性也相對較高。

  除成本低這一天然條件外,硅光子在應用中也具有絕對優勢?,F階段,最主要的應用是 5G、大數據等高速傳輸。甘甫烷介紹,“硅光子最大的優勢就是集成,原本三五族元素方案只能集成幾個器件,但硅光子可以做成幾萬個?!? 高度集成化后的芯片在數據、信息的傳輸速率上會有極大的提升。而且,集成之后還可以實現多通道傳輸。對于數據中心、5G 一類長距離通訊,以及芯片內部的短距離傳輸來說,高帶寬和多通道可以帶來明顯的優勢。

  圖 | 除了芯片內的短距離通信,硅光子還可以助力數據中心、5G 等長距離通訊(來源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

  而在計算方面,光相比于電延時很短。電的計算要經過二極管、數字等轉換,轉換過程產生的延遲,甚至可達到光的幾百倍。用光子芯片進行矩陣計算,其用時甚至可以比電子芯片小幾個量級。

  另外,在傳感以及激光雷達方面,硅光子亦有其廣闊的應用前景。

  原理上無礙,工程化未可

  從上世紀六七十年代發展到現在,硅光子的生產在原理上已經沒有障礙,但在實現上依舊存在很大難題。

  “設計必須要跟工藝強耦合才能做出高質量產品”,但從開始大規模采用 CMOS 工藝研發硅光子,距今經歷了約 20 年左右,時間并不是很長,在工藝和技術積累上還欠些火候。

  甘甫烷表示,只有徹底摸透硅光子技術,打通包括設計、工藝、封裝、產品等完整的產業鏈條,才能真正做好硅光子。而現在能夠摸透硅光子技術的團隊,很少。

  圖 | 要想徹底摸透硅光子技術,除了原理,還需要在設計、工藝上、封裝、產品下產業鏈等方面全部打通(來源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

  另外,硅光子芯片中起關鍵作用的片上激光器也是一個比較大的難題。以目前的研究,采用硅材料實現激光器和隔離器還是世界難題,且在工業線上實現硅光子和激光器、隔離器的混合也是困難重重。

  不過,在甘甫烷看來,他所在的賽勒科技最大的價值在于他們解決了硅光子的封裝難題。一個光器件中,光學封裝成本大約要占到 60% 以上。這是因為,現有的技術普遍使用的是有源對光技術,需要根據觀察結果反饋再進行調整以完成對光,“相當于是一邊對光一邊看,看的不對再調回去 ?!?

  而賽勒科技使用的無源對光技術,例如對于光纖和激光器等元件來說,可以實現它們的自動對光成功。對比傳統方案,無源對光技術能夠應用于產品的大規模自動化生產,有利于硅光子芯片在 5G、數據中心等方面的運用,亦有促進芯片出光 CPU 發展的可能。甘甫烷認為,這是賽勒科技相比于國內外競爭對手最大的價值所在。

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關鍵字: 硅光
文章標題:20年磨一劍,中國科學家回國創辦硅光子公司
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