光电集成芯片有望助力解决“芯片之痛”

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光电集成芯片有望助力解决“芯片之痛”

计算机是信息时代的重要标志，也是支撑信息技术的关键

支点。随着人工智能在多领域的应用，对算力的需求呈现出爆

发性的增长趋势。一方面，半导体制程已趋于电子芯片的物理

极限，电子计算的发展面临“速率”和“功耗”两大瓶颈且衍

生出功耗墙、访存墙与 I/O 墙等 3大技术壁垒，现今计算访存

比、计算 I/O 比均比理想情况低 1—2 个数量级，通过减小芯片

特征尺寸提升计算性能面临巨大的挑战。另一方面，高性能电

子芯片的先进制程工艺设备，我国尚未实现完全自主可控，面

临“卡脖子”风险。与电子相比，光子作为玻色子具有独特的

优势，如高传输速度、高并行性、高带宽和低功耗、低时延等。

因而，以光学的技术手段去实现高性能信息处理与计算，是必

然趋势。传统基于自由空间光学的计算方法无法实现小型化，

光子集成被视为解决该问题的唯一技术手段。21 世纪以来，光

子芯片经历了从单元器件到规模化集成的飞速发展，在超高速

通信、高性能计算、大容量光互连和高精度光学传感等领域展

现出巨大的优势，学术界和工业界达成共识：光电集成芯片有

望延续摩尔定律，利用光电集成芯片进行信息交互是突破电子

计算机发展瓶颈的关键技术和有效途径，有望缓解甚至解决我

国“芯片之痛”。

硅光芯片融合了先进的微电子加工工艺和光子学前沿理论

在硅基芯片上集成激光器、光波导、光调制器和光探测器等光

子信息组件，以光子作为信息载体，实现信息的传递、交互与

计算等。相较于传统电子技术，硅光技术在信息处理的速度和

能效方面呈现显著的优势，为摩尔定律延续提供有力支撑。近

年来，硅光信息技术在全球范围内受到了高度关注与重视，美

国、欧盟等西方发达国家和地区纷纷将光电集成技术列入国家

发展的战略性规划之中。早在2015 年，美国宣布成立国家层

面的集成光子制造研究所（AIMPhotonics），由政府、学术

界、企业界等 124 家单位构成，包含 IBM、Intel 等50 家企业，

麻省理工、斯坦福等20 多家大学、33 个学院和16 个组织。

欧盟也先后制定了信息与通信技术计划ICT27、ICT28 和“地

平线 2020”，其核心内容就是推动光子集成产业发展。我国与

国际同步在硅光技术领域完成了战略布局且持续投入，从国家

层面的“十三五”到“十四五”规划，对集成电路、新一代人

工智能技术均明确了发展目标与战略需求，科技部、中国科学

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摘要：

光电集成芯片有望助力解决“芯片之痛”计算机是信息时代的重要标志，也是支撑信息技术的关键支点。随着人工智能在多领域的应用，对算力的需求呈现出爆发性的增长趋势。一方面，半导体制程已趋于电子芯片的物理极限，电子计算的发展面临“速率”和“功耗”两大瓶颈且衍生出功耗墙、访存墙与I/O墙等3大技术壁垒，现今计算访存比、计算I/O比均比理想情况低1—2个数量级，通过减小芯片特征尺寸提升计算性能面临巨大的挑战。另一方面，高性能电子芯片的先进制程工艺设备，我国尚未实现完全自主可控，面临“卡脖子”风险。与电子相比，光子作为玻色子具有独特的优势，如高传输速度、高并行性、高带宽和低功耗、低时延等。因而，以光学的技术手...

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