导语
电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，难以满足高性能计算不断增长的数据吞吐需求。硅光芯片用光子代替电子进行信息传输，可承载更多信息和传输更远距离，具备高计算密度与低能耗的优势。随着云计算与人工智能大爆发，硅光芯片迎来技术快速迭代与产业链高速发展。
各国都已在该领域布局很久。2014年10月，奥巴马就宣布建立“国家光子集成制造创新研究所”，IBM、Intel等企业和MIT、UCSB等机构都不遗余力发展大规模光子集成芯片，集成850个器件的大规模光子芯片也在2015年出现。几乎同时，中国科学院也启动了由西安光学精密机械所牵头，半导体所、上海微系统与信息技术所、计算技术所共同承担的先导专项“大规模光子集成芯片”，希望构建起大规模光子集成的材料、器件、集成、封装工艺平台。
集成850个器件的光子芯片结构图
预计未来三年，硅光芯片将承载绝大部分大型数据中心内的高速信息传输。
光子芯片演变发展
20世纪60年代以来，人类在电子计算机领域取得了无与伦比的成就。但经过半个多世纪的发展，计算机也遇到了速率和功耗两大瓶颈，进而衍生出阻碍电子计算机性能提升的3个技术壁垒：功耗墙、访存墙与I/O墙。
制约高性能计算发展的最大技术障碍是能耗，E级系统功耗预计有466.7MW，全年40.88亿千瓦时的用电量几乎相当于三峡电站全年发电量的1/20。此外，处理器与内存之间、处理器与处理器之间信息交互的速度严重滞后于处理器计算速度，访存与I/O瓶颈导致处理器计算性能有时只能发挥出10%，这对计算发展形成了极大制约。受电子物理极限制约，传统制程工艺的进步不但无助于问题的解决，甚至会恶化以上问题。
光子芯片不同于电子芯片，技术上另辟蹊径，用光子代替电子进行信息传输，可以承载更多的信息和传输更远的距离。光子彼此间的干扰少、提供相较于电子芯片高两个数量级的计算密度与低两个数量级的能耗。相较于量子芯片，光子芯片不需要改变二进制的架构，能够延续当前的计算机体系。光子芯片需要与成熟的电子芯片技术融合，运用电子芯片先进的制造工艺及模块化技术，结合光子和电子优势的硅光技术将是未来的主流形态。
硅光芯片应用趋势
近期，云计算与人工智能的大爆发让光子传输的优越性得以凸显。在通信场景，由于大型分布式计算、大数据分析、云原生应用让数据中心内的数据通信密度大幅提升，数据移动成为性能瓶颈。传统光模块成本过高，难以大规模应用，硅光芯片能够在低成本的前提下有效提高数据中心内集群之间、服务器之间、乃至于芯片之间的通信效率。在计算场景，据OpenAI统计，自2012年，每3.4个月人工智能的算力需求就翻倍，摩尔定律带来的算力增长已无法完全满足需求，硅光芯片作为解决方案的价值得到广泛的期待。
尤其需要注意的是，光通信与光计算相辅相成，光通信中的光电转换技术会在光计算中得到应用，光计算要求的低损耗、高密度光子集成技术也会促进光通信发展。两者的结合最终会让数据计算和传输都在光域完成。
“大规模光子集成芯片”先导专项实施路线图
展望
尽管光子元器件、硅光制程技术都在近期取得突破，硅光技术的成熟还需要解决一系列问题。首先，硅光芯片的设计、封装等环节尚未标准化和规模化，其产能、成本、良率优势还未显现；其次，光计算的精度仍低于电子芯片，集成度也需要进一步提高。
光电融合是未来趋势，硅光子和硅电子芯片取长补短才能促进算力提升。未来三年，硅光芯片将支撑大型数据中心的高速信息传输；未来五到十年，以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片在部分计算场景中的角色。
来源：达摩院DAMO
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编辑：阿里云研究院内容运营主管 赵子千
