【了不起的芯片】光子芯片会取代电子芯片吗？

原创新思科技 2022-11-18 17:53

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2022新思科技科普类短视频栏目《了不起的芯片》全新上线！新思科技一直致力于打造“人人都能懂”的行业科普视频，传播更多芯片相关小知识，解答各类科技小问题。每周3分钟，多一些“芯”知识。

这一期，我们聊一聊光子芯片的那些事儿。

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顾名思义，光子芯片是以光为媒介，用光波（电磁波）来传递信息的芯片。

光子芯片听起来也颇为前沿，有点站在技术之巅内味儿~ 但事实上光子芯片与电子芯片一样，早在上世纪八十年代就已经诞生了，虽然是电子芯片的孪生兄弟，光子芯片其实比电子芯片拥有更高的天赋。

相比使用电子传递信息的一般意义上的芯片，用“光”传递信息的光子芯片，理论上信息传输速度会更快，传播距离也更远，衰减程度也更低，也不用担心芯片发热之类的问题，看起来光子芯片似乎是比电子芯片更优的选择。

但事实上在这兄弟俩的成长过程中，看起来“天资平平”的电子芯片却发展得更为顺利，在众多因素的加持下甚至比“天赋树”点满的光子芯片更为亮眼。

这一切都要从芯片的基本组成部分──晶体管（MOSFET或者FinFET）说起。晶体管是一种电控开关，它能很方便的用一个或者多个电压信号产生另一个信号，这样就组成了千变万化的模拟、数字电路。电晶体管的技术已趋于成熟，但光子芯片就像是武侠小说的主角还没找到世外高人的阶段，“光子开关”总是遇到各种各样的问题，要么输出信号的波长总是比输入波长长，难以控制线路中的下一个开关；要么是光开关设计尺寸只能维持在微米级，实现高速传输的前提只能是以体积为代价。

科学家们也有一直尝试帮助光子芯片，希望做出能够实现电晶体管功能的可替代的光晶体管，但仍一筹莫展。

光子芯片此刻已经在掐人中：果然天才都是孤独的吗？给了我这么好的天赋，却没有用武之地，请问可以和我兄弟电子芯片互换人生吗？

之后，随着芯片设计理论的发展，以及以EDA为基础，基于IP的芯片设计方法的兴起，电子芯片可以说是“只要钱到位，没有做不到，只有想不到”（光子芯片持续无语中……）

即使是现在，我们看到的依然是互联网信息先以光为媒沿着光纤网络传播到每家每户，再转换为电信号进入路由器或计算机。不是不用光子芯片，而是使用电子芯片的效益更高。

电晶体管凭借能够随着制程的推进不断微缩的能力，走出了一条极具经济效益的“摩尔定律”道路来，而光晶体管却碍于波长限制，寸步难行。

不过，近些年随着芯片工艺制程已经接近物理极限，部分芯片厂商为了增加自家卖点重新为工艺制程下定义，业内关于“摩尔定律是否就快走到尽头”的争论就未停止过，似乎，电子芯片的潜能已经快被榨干了。

现在好运来到光子芯片这边，潜伏已久的光子芯片内心开始狂喜。

2016年，麻省理工学院的研究团队打造出首个光学系统，硬件上用光干涉仪作为基本的矩阵运算单元有效取代电晶体管，算法上开发了一系列不牺牲性能条件下有效降低深度学习计算量并适应于光子芯片的算法。

这一成果在2017年发表与顶级期刊Nature Photonics杂志封面上，也正是从这时候开始，光子芯片再次进入大家的视野，被视为延续摩尔定律的一种可能。

新思科技也从未搁置过推动光子芯片的发展。OptoCompiler将成熟的专用光子技术与业界领先的仿真和物理验证工具相结合，可为光子芯片提供完整的端到端设计、验证和签核解决方案。（只要我的广告打的够快，你们就一定发现不了）

目前，光子芯片主要用于光纤通信、化学，生物或光谱传感器、计量、经典和量子信息处理等特定应用，能够适用于各种各样应用场景的可编程光子芯片，尽管发展稍许缓慢，但未来在自动驾驶、安防监控、语音识别等人工智能领域大展身手也是指日可待的。

尽管光子芯片的“天赋异禀”，但造化弄人，该配合它表演的“光晶体管”反而限制了光子芯片的发挥。反倒是电子芯片，凭借着“天时地利”后来者居上。所幸的是，它们都找到了自己适合的定位，没有上演兄弟相爱相杀的虐心戏码。比如光子芯片更适合承载线性计算和数据网络，而电子芯片与现有的市场环境和软件环节兼容性更好，未来，它们会继续以光电混合芯片的形式在市场上和谐共存。兄弟情yyds！