硅光芯片制造技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料，利用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝進行光器件開發(fā)和集成的技術(shù)，其結(jié)合了集成電路技術(shù)超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶圓制造技術(shù)是相輔相成的。

李培剛

北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師

當下科技競爭日趨激烈，最受人關(guān)注的芯片技術(shù)更是日新月異。當IBM研發(fā)出2納米制程芯片的消息尚未傳開，臺積電和其合作伙伴就宣布取得了1納米以下制程芯片技術(shù)突破。業(yè)內(nèi)普遍認為，人類正一步步逼近電子芯片的物理理論極限。

硅光芯片具有高運算速度、低功耗、低時延等特點，且不必追求工藝尺寸的極限縮小，在制造工藝上，也不必像電子芯片那樣嚴苛，必須使用極紫外光刻機（EUV）。

那么，硅光芯片能否突破摩爾定律的“天花板”，開辟新的“賽道”？

仍存需要突破的技術(shù)瓶頸

“硅光子技術(shù)的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易。”北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李培剛告訴科技日報記者，早在上世紀90年代，IT從業(yè)者就開始為傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，光子計算一度被認為是最有希望的未來技術(shù)?！耙蚣夹g(shù)上的原因，直到21世紀初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(gòu)才率先重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路?！崩钆鄤傉f。

李培剛告訴記者，硅光芯片制造技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料，利用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝進行光器件開發(fā)和集成的技術(shù)，其結(jié)合了集成電路技術(shù)超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，與現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶圓制造技術(shù)是相輔相成的。

李培剛表示，我國十分重視硅光芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但剛開始時，國內(nèi)的高端硅光芯片以設(shè)計為主，流片主要還是在國外，芯片制備的周期長、成本高，制約了我國硅光子技術(shù)的發(fā)展，“加之國外限制中國的芯片技術(shù)發(fā)展，采取了一系列措施，對我國硅光芯片企業(yè)的發(fā)展造成了較嚴重的影響?！?/p>

李培剛告訴記者，硅光技術(shù)發(fā)展主要可以分為3個階段：第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達到工藝的標準化；第二，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進，實現(xiàn)部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片；第三，光電一體技術(shù)融合，實現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能?！澳壳肮韫饧夹g(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第二階段?！崩钆鄤傉f。

在他看來，盡管硅光技術(shù)日趨成熟，硅光芯片即將進入規(guī)?；逃秒A段，但是仍存在需要突破的技術(shù)瓶頸，如設(shè)計工具非標準化、硅光耦合工藝要求較高以及晶圓自動測試及切割等存在技術(shù)性挑戰(zhàn)。

李培剛認為，我國在硅光芯片的研發(fā)上已經(jīng)取得了技術(shù)突破，但在產(chǎn)業(yè)化方面，國產(chǎn)硅光芯片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)還存在一些問題，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、器件封裝和應(yīng)用配套等，需要不斷發(fā)展成熟，“除了技術(shù)本身，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化也會受到材料、工藝、裝備、軟件、人才以及市場生態(tài)等綜合因素的影響。所以，在對技術(shù)方面的研發(fā)進行投入之外，形成一個好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，搭建平臺、優(yōu)化生態(tài)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游加大合作，對于硅光芯片的發(fā)展也是非常重要的?！崩钆鄤傉f。

我國硅光芯片發(fā)展迅速

2017年11月28日，工信部正式批復(fù)同意武漢建設(shè)國家信息光電子創(chuàng)新中心，該中心由光迅科技、烽火通信、亨通光電等國內(nèi)多家企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)共同參與建設(shè)，匯聚了國內(nèi)信息光電子領(lǐng)域超過60%的創(chuàng)新資源，承載著解決我國信息光電子制造業(yè)“關(guān)鍵和共性技術(shù)協(xié)同研發(fā)”及“實現(xiàn)首次商業(yè)化”的戰(zhàn)略任務(wù)，著力破解信息光電子“缺芯”的局面。

2017年，上海市政府將硅光子列入首批市級重大專項，投入大量經(jīng)費，布局硅基光互連芯片的研發(fā)和生產(chǎn)，旨在打造硅光芯片全產(chǎn)業(yè)鏈，掌握關(guān)鍵核心技術(shù)，讓國內(nèi)企業(yè)擺脫對國外供應(yīng)商的依賴。

2018年10月，由重慶市政府重磅打造的國家級國際化新型研發(fā)機構(gòu)聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司在重慶注冊成立，首期投資超100億元。

工信部2017年底發(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，目前高速率光芯片國產(chǎn)化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產(chǎn)化率超過60%，高端光電子芯片國產(chǎn)化率突破20%。

在政策支持下，我國硅光芯片發(fā)展迅速。2018年1月，國內(nèi)第一個硅光子工藝平臺在上海成立，縮小了我國在加工制造上與國外的差距。

2018年8月29日，中國信科宣布我國首款商用“100G硅光收發(fā)芯片”正式投產(chǎn)。

2019年9月，聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司實現(xiàn)了8英寸硅基光電子技術(shù)工藝平臺的通線。僅僅幾個月，其自主開發(fā)的硅光工藝就達到了非常好的水平，并正式向全球隆重發(fā)布“180nm成套硅光工藝PDK”，這標志著該公司具備硅基光電子領(lǐng)域全流程自主工藝制造能力，開始向全球提供硅光芯片流片服務(wù)。

國家層面，支持硅光技術(shù)的利好政策紛至沓來，各地政府也紛紛入局。上海市明確提出發(fā)展光子芯片與器件，重點突破硅光子、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攻關(guān)。湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)?！案鶕?jù)各地的規(guī)劃來看，很難看出各地布局實質(zhì)性差異。各地將發(fā)揮自己原有的芯片產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，并積極引進新的企業(yè)，各盡所能發(fā)展硅光芯片產(chǎn)業(yè)。”李培剛說。

光與電未來將攜手共贏

硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個追逐的目標。隨著產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的不斷成熟，產(chǎn)業(yè)環(huán)境不斷優(yōu)化，我國硅光芯片產(chǎn)業(yè)正蓄勢待發(fā)。

根據(jù)英特爾的硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，硅光模塊產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入快速發(fā)展期。2022年，硅光子技術(shù)在每秒峰值速度、能耗、成本方面將全面超越傳統(tǒng)光模塊，預(yù)測硅光模塊的市場增速為40%，2024年達到39億美元，屆時有望占據(jù)整體市場規(guī)模的21%。

“目前來看，光和電是在兩個‘賽道’上，各有自己的應(yīng)用場景。在邏輯運算領(lǐng)域，未來的趨勢是光電集成，要實現(xiàn)全光計算還需要很長的一段時間。”李培剛說，光子集成電路雖然目前仍處于初級發(fā)展階段，不過其成為光器件的主流發(fā)展趨勢已成必然。

“總體來說，目前只在個別計算和傳輸領(lǐng)域，光子芯片可以替代電子芯片?！崩钆鄤傉f，在制造工藝上，兩者雖然在流程和復(fù)雜程度上相似，但光子芯片對結(jié)構(gòu)的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級，“這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當前芯片發(fā)展的瓶頸問題”。

“光有光的優(yōu)勢，電有電的優(yōu)勢?！崩钆鄤傉f，在某些應(yīng)用場景中，兩者有競爭，但更多的時候，二者是共贏關(guān)系。

“硅光芯片技術(shù)目前還沒有電子芯片成熟，所以未知的因素很多，未來應(yīng)把兩者很好地銜接起來。”李培剛認為，電子集成電路和光子集成電路之間是互補的關(guān)系?！拔磥砦覀兛梢猿浞掷霉庾蛹呻娐犯咚俾蕚鬏敽碗娮蛹呻娐范喙δ堋⒅悄芑膬?yōu)點，在新的‘賽道’上跑出更好成績。”李培剛說。