“你相信光嗎？”如果一位關心芯片的人向你拋出這個問題，不是他忽然成了奧特曼迷，而是說明，他開始注意到，“光”開始成為攪動芯片界的力量了。

2023年諾貝爾物理學獎頒給“阿秒光脈沖技術”，“如何用光計算”也開始成為業界學界的重要課題。天生神速的光，能否以不可思議的速度，完成人工智能時代智能世界“基礎設施”的更新換代？

光子“接棒”電子

不同于較為傳統的電子芯片，光子芯片是一種利用光子特性來計算的新型芯片。

本質上，芯片都要借助半導體材料的物理特性來操控承載信息的微觀粒子，不過不同類型芯片選擇的粒子載體不同。“光子芯片就是利用光子來生成、處理、傳輸并顯示信息。”中科創星創始合伙人米磊說。

相較于電子，光子的優勢顯而易見：傳輸信息具有極快的響應時間，信息容量比電子高3-4個量級，具有極強的存儲、計算乃至并行互聯能力，超低能耗……這些優勢在信息產業意味著怎樣的潛力，不言而喻。

眼下，隨著人工智能時代的到來，人們對算力的需求也水漲船高。然而電子芯片發展已近于物理和經濟成本極限，“摩爾定律失效”之聲不絕于耳。

電子芯片以硅為基礎材料，而硅原子的直徑約為0.22納米。當制程降至7納米以下，電子芯片極易出現電涌和電子擊穿問題，意味著我們很難完美控制電子。在2023年興起至今的大模型浪潮中，傳統電子芯片的左支右絀已見端倪。

光子芯片則意味著新的曙光。它不僅有望解決電子芯片難以克服的功耗、訪存能力等方面的優化難題，還可以催生諸多嶄新應用場景。與之相匹配的，則是用光路代替電路，用激光光源代替功率電源……省去光電轉換，就有可能繞過現有的物理極限，突破芯片的算力瓶頸。目前，這一領域的角逐已在國內外諸多頂尖科研機構之間打響發令槍。

清華大學光子芯片團隊部分成員合影

今年4月，清華大學研究團隊在國際上首創分布式廣度智能光計算架構，設計出一種面向先進AI任務的光子芯片——“太極”，能量效率超過現有智能芯片2至3個數量級，可為大場景智能分析、大模型訓練推理等任務提供算力支撐。

5月，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的研究團隊開發出鉭酸鋰異質集成晶圓，也首先用于制作高性能且可批量制造的光子芯片。

光子芯片，真的離我們不遠了嗎？

如何“馴服”光？

憧憬未來之余，先讓我們多想一想，光子芯片如何工作？

一枚電子芯片，由電子晶體管、導電的銅線構成。一枚光子芯片，則由光子晶體管和“導光”的波導構成。波導是傳播光的媒介，例如大家耳熟能詳的光纖，就是一種波導。

按照功能，光子芯片可分為激光器芯片和探測器芯片兩類。激光器芯片要借助半導體材料激發注入電流的電能，從而實現電光轉換。探測器芯片則是通過光電效應識別光信號，將其轉化為電信號。

技術人員探討光芯片生產工藝 魏培全 攝

如何控制光的輸出？最理想的情況，是以光驅動，以光控制的全光晶體管。但目前技術尚不成熟，純光子芯片仍處于概念階段，光子芯片的基本器件還是用光驅動、用電控制的電光混合器件。基于光電調控，清華大學于今年8月推出太極II芯片，在無需GPU的情況下實現了光學神經網絡的在線訓練。

借由電光混合器件，光信號和電信號之間調制、傳輸、解調的全過程集成在一塊襯底上，這就是芯片高速處理數據的基礎。得益于光波的波長尺寸優勢，光子芯片的制備僅需百納米成熟工藝，芯片可實現完全國產化自主生產。

哪里是光子芯片的用武之地？

剛才說了，光子芯片有可能突破電子芯片的算力瓶頸。除此之外，它還可以在哪些領域大顯身手呢？

都知道光速是人類已知的宇宙中最快速度，借助光的高速傳輸特性，光子芯片首先令人期待的，就是超高速數據傳輸。“光纖網絡+光子芯片”，意味著高速通信的全新時代。此外，光子芯片的抗干擾性能也使得光子雷達有望成為現實。

圖片由AI生成

光子芯片在其他領域的應用也值得期待。例如，生物醫學領域，光子芯片可以應用于光學成像和光譜分析，實現對細胞、組織和藥物的快速檢測和分析。環境監測領域，光子芯片可以用于氣體傳感器和污染監測，讓實時監測和評估環境質量效率更高。

光計算芯片，目前正在開始走出實驗室，科學家們的期待是，經過一系列工程化努力，可以穩定生產的商用光子芯片能盡快化為現實。那也就意味著，光子芯片的成本已經可為業界廣泛接受。

過了這幾道關，我們才能走上芯片新紀元的金光大道。不過，前景已然可期，畢竟，光就在那里。（來源：半月談 記者：張漫子，原標題：《芯片，透出一縷“光”》）