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國家信息光電子創新中心牽頭完成的《硅基光電子集成技術前沿報告》在CICC 2020成功發布

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

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

  信息光電子芯片作為通信系統的“心臟”,是信息通信的核心和基石。硅基光電子集成技術(以下簡稱:硅光技術)是信息光電子領域光電子和微電子融合的新興技術,其基于硅材料并借鑒大規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”等優勢。建立健全硅光產業鏈,是我國占據全球信息通信價值鏈尖端的“關鍵一招”,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“數字中國”和“兩個強國”建設等都具有重要意義。

  在此背景下,中國通信學會聯合國家信息光電子創新中心,由學會副理事長余少華院士牽頭編寫“硅光技術能否促成光電子和微電子融合?”成功入選2020年中國科協十大工程技術難題。8月15日,中國科協在“第二十二屆”中國科協年會閉幕式上正式全球發布。

  鑒于國家部委領導、業內技術專家等都非常關心硅光技術現狀、難點和未來發展,中國通信學會聯合國家信息光電子創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前沿報告”一份。該報告系統地介紹了硅光技術誕生背景、技術定義與特點、國內外發展現狀等幾方面情況,在此基礎上針對微電子與光電子融合技術難題和挑戰,提出了硅光芯片技術發展趨勢預測和相關政策建議。

  新聞背景

  全球硅光技術和產業得益于大容量數據通信場景日益增加以及新需求、新應用不斷涌現,經過20余年快速發展,已逐漸從學術研究驅動轉變為市場需求驅動。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。

  在信息通信領域,已基本建立了面向數據中心、光纖傳輸、5G承載網、光接入等市場的一系列硅光產品解決方案。根據行業調查機構的預測,2020年硅光模塊市場將達到7.4億美元,預計至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。

  在量子領域,研究人員通過在硅光芯片上集成數百個光量子器件已研制出集成度最復雜的光量子芯片,實現了高維度、高精度、高穩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)芯片的全固態激光雷達(LiDAR),具有集成度高、掃描速度快、體積小、成本低等優勢,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)領域,AI處理器芯片需進行的高通量、大規模矩陣運算可由硅光神經網絡運算單元來完成,研究顯示光神經網絡芯片比傳統電子計算機有兩個數量級速度提升,且功耗降低達三個數量級。

  在新型微處理器領域,美國Intel、Ayar Labs、GlobalFoundries等國外研發機構正在致力于實現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,我國硅光產業鏈不斷完善、基礎研究不斷取得突破、技術標準相繼形成、產品解決方案日趨完善。技術研發方面,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,國內單位在硅基激光器/調制器/探測器等高性能單元器件、硅光片上復用技術、硅光量子芯片、硅光芯片傳輸功能研究和系統應用驗證等核心技術方面取得重要進展,部分硅光技術基礎研究也已接近國際一流水平;產業化應用方面,國內企業已建立了用于數據中心、光纖傳輸、5G承載網、光接入等場景的一系列硅光產品解決方案,部分關鍵產品已基于自主研發實現了產業化突破。以國家信息光電子創新中心為例,近年來多次在硅光技術上取得突破。2018年,創新中心正式投產我國首款100Gb/s硅光芯片,標志著國內硅光芯片規模產業化“從零到一”突破。2019年,中國信科集團聯合創新中心,基于自主硅光芯片和特種光纖完成我國首個Pb/s光傳輸系統實驗。2020年,創新中心成功研制出首款800G硅光發射機樣機,為未來數據中心光模塊提供解決方案。目前,華為、阿里巴巴、海信、亨通Rockley、賽勒光電等國內企業也相繼展示自主研制的硅光產品。在硅光芯片制造方面,重慶聯合微電子、中科院微電子所、上海微技術工業研究院等單位正在致力于8英寸硅光工藝線的建設。以上進展標志著我國已基本構建起從設計仿真、芯片制造、封裝測試到系統應用的硅光技術產業鏈條。

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