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隨著我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展,新一代信息技術(shù)間的融合效應(yīng)漸顯,“5G+云+AI”將成為推動(dòng)我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要引擎?；谏鲜霰尘?我國率先提出了“算力網(wǎng)絡(luò)” 的概念。
2021年,國家發(fā)展改革委等四部門明確提出布局建設(shè)全國一體化算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點(diǎn),加快實(shí)施“東數(shù)西算”工程。
隨后,京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)等地響應(yīng)號(hào)召,相繼啟動(dòng)建設(shè)國家算力網(wǎng)絡(luò)樞紐節(jié)點(diǎn),我國“東數(shù)西算”工程全面進(jìn)入建設(shè)期。
對此,多份行業(yè)研究報(bào)告均認(rèn)為,“東數(shù)西算”的數(shù)據(jù)中心大規(guī)模部署必將引爆光通信產(chǎn)業(yè),其中最先受益的就是光芯片及光模塊產(chǎn)業(yè)。
光通信迭代加快,“舊技術(shù)”迎來新發(fā)展
光通信系統(tǒng)技術(shù)路線的升級依賴于技術(shù)的革新,在當(dāng)前光通信系統(tǒng)和調(diào)制格式越來越復(fù)雜的情況下,光通信芯片和模塊正向800bit/s速率演進(jìn),未來還將達(dá)到Tbit/s級別速率,迫切需要開發(fā)更高集成度、更低成本的光通信芯片和模塊。
此時(shí),一項(xiàng)早在上世紀(jì)提出的技術(shù),又重新出現(xiàn)在人們的視線中。
硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)80年代,Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng),為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)。
硅光子技術(shù)其核心理念是“以光代電”,即利用激光束代替電子信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。硅光子技術(shù)將硅光模塊中的光學(xué)器件與電子元件整合到一個(gè)獨(dú)立的微芯片中,使光信號(hào)處理與電信號(hào)的處理深度融合,最終實(shí)現(xiàn)真正意義上的“光互聯(lián)”。
硅基光電子技術(shù)擁有光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢,更適應(yīng)未來高速、復(fù)雜的光通信系統(tǒng)。同時(shí)可以滿足長距離數(shù)據(jù)傳輸以及微電子芯片間的短距離大容量數(shù)據(jù)傳輸,通過與微電子集成電路進(jìn)行單片集成,實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的片上互連,突破微電子處理器在數(shù)據(jù)互連上的瓶頸。
去年年底,阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布了2022十大科技趨勢,分別是:AI for Science、大小模型協(xié)同進(jìn)化、硅光芯片、綠色能源AI、柔性感知機(jī)器人、高精度醫(yī)療導(dǎo)航、全域隱私計(jì)算、星地計(jì)算、云網(wǎng)端融合以及XR互聯(lián)網(wǎng)。
其中,硅光芯片異軍突起,在芯片領(lǐng)域引領(lǐng)了一場變革,融合光子和電子優(yōu)勢,突破摩爾定律限制,滿足人工智能、云計(jì)算帶來的爆發(fā)性算力需求。預(yù)計(jì)未來三年,硅光芯片將承載大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸。
光芯片借力數(shù)據(jù)中心建設(shè)成為新熱門
光芯片是光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心器件,硅光芯片作為采用硅光子技術(shù)的光芯片,是將硅光材料和器件通過特色工藝制造的新型集成電路。硅光集成優(yōu)點(diǎn)主要包括了低功耗、高集成度體積減小,通過光子介質(zhì)傳輸信息因而連接速度更快,同時(shí),硅光技術(shù)可以通過晶圓測試等方法進(jìn)行批量測試,測試效率顯著提升。
硅基光電子技術(shù)具有集成度高的優(yōu)勢。但同時(shí),高集成度對芯片的封裝技術(shù)也提出了更高的要求。硅基光電子芯片的封裝對精度要求高、技術(shù)難度大,現(xiàn)階段硅基光電子芯片的封裝成本甚至占到了硅基光電子模塊總成本的 10%左右。開發(fā)具有低成本、高可靠性的硅基光電子芯片封裝技術(shù)是硅基光電子大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)之一。
數(shù)據(jù)中心是光通信產(chǎn)業(yè)的重要市場,是承載數(shù)字計(jì)算力、各行業(yè)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障設(shè)施,也是促進(jìn)各行各業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵動(dòng)力。對比普通光模塊,硅光模塊具有低功耗、高集成和高速率等優(yōu)勢,對于需要大量使用光模塊的數(shù)據(jù)中心而言,硅光模塊最顯著的優(yōu)勢就是低成本。
如果硅光芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得以廣泛部署,那么以硅光子為核心的光計(jì)算將有可能帶動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步,進(jìn)而影響數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
硅光產(chǎn)業(yè)潛力初現(xiàn),各大廠商爭相布局
根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Yole的數(shù)據(jù),到2026年,預(yù)計(jì)硅基光電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)總體市場規(guī)模將快速增長至11億美元。硅光技術(shù)廣闊的市場前景,也吸引了各大公司在相關(guān)技術(shù)研發(fā)上加足馬力。
月初,格芯就推出新一代硅光解決方案,與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作共同應(yīng)對數(shù)據(jù)中心當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn);作為光模塊龍頭之一的新易盛也發(fā)布公告聲明將深入?yún)⑴c硅光模塊、相干光模塊以及硅光子芯片技術(shù)的市場競爭。
熹聯(lián)光芯成功并購行業(yè)領(lǐng)先的硅光新銳德國Sicoya公司,總投資20億元在張家港設(shè)立國內(nèi)第一家擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國硅光集成電路領(lǐng)軍企業(yè),建設(shè)國內(nèi)第一條硅光芯片及封測生產(chǎn)線,并已實(shí)現(xiàn)100G光模塊規(guī)模化量產(chǎn),400G光學(xué)引擎及光模塊也已進(jìn)入送樣認(rèn)證階段。
Marvell公司宣布其用于數(shù)據(jù)中心的400G DR4硅光子平臺(tái)解決方案實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),平臺(tái)基于硅光子技術(shù),將幫助擴(kuò)展云數(shù)據(jù)中心架構(gòu),以滿足新興人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用日益增長的帶寬需求。
思科、華為、Ciena、Juniper等巨頭也紛紛通過收購布局硅光技術(shù),立志將硅光技術(shù)應(yīng)用于千億級的IC市場。
當(dāng)前,我國高速光芯片發(fā)展形式還不容樂觀,根據(jù)工信部發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018—2022年)》指出,目前我國高速率光芯片國產(chǎn)化率僅3%左右,而硅光芯片的到來有望打破這一局面。
去年,國家信息光電子創(chuàng)新中心、鵬城實(shí)驗(yàn)室、中國信息通信科技集團(tuán)光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、武漢光迅科技股份有限公司,在國內(nèi)率先完成了1.6Tb/s硅基光收發(fā)芯片的聯(lián)合研制和功能驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了我國硅光芯片技術(shù)向Tb/s級的首次跨越。展現(xiàn)出硅光技術(shù)的超高速、超高密度、高可擴(kuò)展性等突出優(yōu)勢,為下一代數(shù)據(jù)中心內(nèi)的寬帶互連提供了可靠的光芯片解決方案。
硅光技術(shù)日新月異,各地也相繼出臺(tái)方案,明確將發(fā)展硅光產(chǎn)業(yè)作為建設(shè)重點(diǎn),上海市提出發(fā)展光子芯片與器件,重點(diǎn)突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發(fā)與應(yīng)用,對光子器件模塊化技術(shù)、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術(shù)、光電集成模塊封裝技術(shù)等方面的研究開展重點(diǎn)攻關(guān)。湖北省、重慶市、蘇州市等政府也緊隨其后將硅光芯片作為“十四五”期間的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。
5G時(shí)代,對芯片傳輸速率和穩(wěn)定性要求更高,使得密集組網(wǎng)對硅光芯片的需求大增。在消費(fèi)電子領(lǐng)域,智能傳感、移動(dòng)終端等產(chǎn)品均可利用硅光技術(shù)在有限的空間集成更多的器件;在量子通信領(lǐng)域,由于硅光技術(shù)保密性強(qiáng)、集成度高、適合復(fù)雜光路控制等優(yōu)勢,有望成為量子通信的重要技術(shù)方案?？梢灶A(yù)見,隨著技術(shù)的成熟,硅光芯片在數(shù)通領(lǐng)域和消費(fèi)電子領(lǐng)域的需求將迎來一輪大爆發(fā)。
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