硅光子芯片的時代即將開啟

　　正處于后摩爾定律時代，未來如何解決半導(dǎo)體物理極限的議題，也許將電腦進(jìn)化成光腦就能夠解決。

　　光腦是指用光子取代傳統(tǒng)的電子的電腦，IBM在2007年就已發(fā)展光子運(yùn)算芯片，目前可分為光電混合電腦與純光子電腦。光電混合電腦使用雷射光脈沖傳輸資料，但部分芯片仍使用電子元件，故需要光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中相對慢及耗能。

　　光子電腦不使用電子，改用光子加上折射鏡或分光鏡取代原有的邏輯閘來做資料傳輸及運(yùn)算，比傳統(tǒng)電子傳遞過程會經(jīng)過帶有電阻的電線而損耗，光子沒有質(zhì)量、不須介質(zhì)傳遞，更能以光速前進(jìn)，一旦產(chǎn)生就不會額外耗能。光子傳遞甚至可以同時使用超過兩種不同波長的光來取代二進(jìn)位訊號，大幅增加運(yùn)算速度。

　　使用光來取代電子傳遞訊息時也并非沒有缺點(diǎn)，因?yàn)楣獠ㄩL難以壓縮，過長的波長限制芯片體積微縮的可能。為解決此問題，哥倫比亞大學(xué)研發(fā)一種光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換的方法，在示范裝置中，超穎介面(metasurface)能讓傳遞的光波長縮短為空氣中波長縮小1.7倍，因此能縮小積體光學(xué)的大小。

　　光學(xué)裝置須要更精確的做工，因?yàn)楣馐鴤鬏數(shù)男┪⑵顣斐删薮蟮膯栴}，相對需要高技術(shù)及高成本。惠普實(shí)驗(yàn)室今年初宣布已開發(fā)一種光整合電路裝置，使用1，052種光學(xué)元件組成，用光的偏振性質(zhì)編碼，比傳統(tǒng)芯片能更快速處理計(jì)算問題。光子電路也適合做深度學(xué)習(xí)，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表奈米光子處理器，控制光波導(dǎo)讓光產(chǎn)生干涉條紋，來進(jìn)行深度運(yùn)算。光子電腦離要能實(shí)際應(yīng)用，還有很多困難待克服，已有愈來愈多大廠投入研發(fā)，如惠普、IBM。從長遠(yuǎn)看來，光子運(yùn)算有助人工智慧革命，為社會帶來更重大改變。

　　光傳輸技術(shù)與光整合電路最重要

　　在所有的光子技術(shù)中，光傳輸技術(shù)與光整合電路為最重要的次世代的技術(shù)，未來將對醫(yī)療技術(shù)、光電感測、太陽能電池元件、遠(yuǎn)紅外線光源及光顯示等應(yīng)用產(chǎn)生革命性的影響。

　　市場研調(diào)機(jī)構(gòu)Credence預(yù)估，光整合電路在2020年時的全球產(chǎn)值將達(dá)到13億美元，2015年至2020年產(chǎn)值年復(fù)合成長率高達(dá)25.2%。MarketsandMarkets更指出，未來光子技術(shù)在電信傳輸與資料傳輸?shù)葢?yīng)用將成長最快，將于2020年達(dá)到200萬美元，而消費(fèi)性電子的光子技術(shù)應(yīng)用也值得關(guān)注，預(yù)計(jì)在2020年產(chǎn)值也將達(dá)到150萬美元。

　　光子因不具有電荷與質(zhì)量，擁有低能量耗損與不容易受到外界干擾的特性，能夠解決半導(dǎo)體在不斷微縮過程中，元件與導(dǎo)線的距離縮短導(dǎo)致電磁干擾導(dǎo)致操作延遲、能源損耗等相關(guān)的問題。因此光子成為后摩爾定律時代中新興的重要技術(shù)。歐盟在2009年歐盟所提出Key Enabling Technologies(KETs)的五項(xiàng)技術(shù)，即包含光子技術(shù)。光子技術(shù)的節(jié)能特征，將隨著倍數(shù)增加的運(yùn)算、儲存需要而變得日益重要，各國也紛紛投入相關(guān)研究計(jì)劃支持。

　　歐盟第七期框架計(jì)劃就透過科技補(bǔ)助支持CMOS整合光電子技術(shù)(HELIOS)研究、光子制造技術(shù)平臺(PLAT4M)等計(jì)劃，協(xié)助將光子整合電路技術(shù)從科學(xué)研究變成商業(yè)產(chǎn)品并形成產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入歐盟第八期歐盟框架計(jì)劃階段(Horizon 2020)，歐盟將光子技術(shù)的研發(fā)分為先進(jìn)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究，主要目的是探索光子先進(jìn)技術(shù)，保持歐洲在光子技術(shù)上的領(lǐng)先;還有透過公私伙伴協(xié)力的方式，加速光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　美國在先進(jìn)制造伙伴2.0計(jì)劃預(yù)計(jì)以尖端制造業(yè)再復(fù)興創(chuàng)造美國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提出15個創(chuàng)新研究中心，包含光整合電路創(chuàng)新中心，由紐約州立大學(xué)與美國能源局共同負(fù)責(zé)營運(yùn)。該創(chuàng)新中心主要提供光整合電路的標(biāo)準(zhǔn)化平臺，協(xié)助光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)擴(kuò)散，將串聯(lián)設(shè)備制造商、材料供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商、光整合電路生產(chǎn)商與研究者，透過多方合作，加快光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。美國國家科學(xué)基金會、美國國家航空暨太空總署等也投入光子尖端技術(shù)研發(fā)，包含LiDar技術(shù)、光處理器、先進(jìn)醫(yī)療光感測器、多光雷射等。

　　日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省與新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)在2012年展開十年的光電子融合基礎(chǔ)技術(shù)研究，以確保日本在后摩爾時期，能在光整合電路相關(guān)技術(shù)上保有領(lǐng)先優(yōu)勢。至于前瞻光子技術(shù)的部分，日本文部科學(xué)省于2016年揭露研究目標(biāo)與戰(zhàn)略分項(xiàng)所展開的拓璞量子戰(zhàn)略，將量子運(yùn)算、自旋電子學(xué)與光子技術(shù)列于重點(diǎn)技術(shù)，將于未來投入發(fā)展光子新的理論、使用單向傳播光波導(dǎo)的光整合電路、光學(xué)儲存設(shè)備、高功能單模雷射和向量光束。

　　中國大陸投入光子技術(shù)包含兩個部分：光通訊的技術(shù)追趕與光子技術(shù)彎道超車。在技術(shù)追趕部分，透過全國電子光學(xué)系統(tǒng)十三五標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展規(guī)劃，設(shè)立光子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，透過制定標(biāo)準(zhǔn)提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)。國家重大科學(xué)研究計(jì)劃則建立自主的硅光子技術(shù)與研發(fā)平臺，透過中科學(xué)、大學(xué)與產(chǎn)業(yè)的合作，擬在關(guān)鍵的高性能的微奈米電光元件及其整合技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)光子技術(shù)的彎道超車。光子技術(shù)是兼具科技前瞻性與市場應(yīng)用性的技術(shù)，從產(chǎn)值估測可以得知，未來幾年光子技術(shù)應(yīng)用將逐漸深入生活。因此各國無不投入研發(fā)資源，期望透過產(chǎn)官學(xué)研的資源整合，搶占光子技術(shù)未來商機(jī)與機(jī)會。

　　技術(shù)面面觀

　　光子芯片主要是將無數(shù)個光學(xué)系統(tǒng)整合在芯片上，就如同現(xiàn)今的半導(dǎo)體芯片，但將利用超微透鏡取代電晶體并以光子來進(jìn)行運(yùn)算。光子芯片與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片相比，具有更高的運(yùn)算效率以及訊息傳輸量，也兼具耗能低、運(yùn)行過程中產(chǎn)生較少的熱，所以無須復(fù)雜的散熱設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為在未來可延續(xù)摩爾定律，傳承舊有硅芯片的發(fā)展。

　　在眾多光子技術(shù)中，硅光子及其相關(guān)技術(shù)憑借其使用成本較低的硅與硅基襯底材料，并結(jié)合既有且技術(shù)成熟的CMOS技術(shù)，使其極其受到青睞，自2015年IBM公司研制硅光學(xué)芯片后，使該技術(shù)呈現(xiàn)爆發(fā)式的成長，并使該技術(shù)自實(shí)驗(yàn)室走入市場，吸引微軟、亞馬遜及Facebook等公司的青睞，因?yàn)檫@些公司的數(shù)據(jù)中心常在云端資料連結(jié)并處理巨量的資料時，受限于傳統(tǒng)的銅線以及低速光纖的傳輸量，造成運(yùn)行效率低落。

　　而硅光子技術(shù)的發(fā)展，將可有效解決此問題，以2016年Intel硅光100G PSM4 QSFP、以及Intel硅光100G CWDM4 QSFP所推出的收發(fā)器產(chǎn)品。憑借著其微型、高速、低功耗的特性，可有效解決目前數(shù)據(jù)交換瓶頸及能耗問題，該產(chǎn)品整合雷射與硅光子元件，透過調(diào)變技術(shù)，資訊傳輸速度可達(dá)每秒100GB，是傳統(tǒng)銅線傳輸?shù)乃谋叮@將解決令各數(shù)據(jù)中心在運(yùn)算能力上陷入困境的網(wǎng)絡(luò)瓶頸。但硅光子技術(shù)的應(yīng)用不僅如此，包含高速電腦、感測器、生命科學(xué)、量子運(yùn)算等高階應(yīng)用，以及自駕車應(yīng)用的光學(xué)雷達(dá)等需要大量交換資訊應(yīng)用，也將受惠于該技術(shù)的發(fā)展。

　　在投入廠商方面，除Intel、IBM、思科、Imec等，因硅光子技術(shù)涵蓋半導(dǎo)體技術(shù)與光學(xué)技術(shù)，加上此技術(shù)帶來大量數(shù)據(jù)或訊息交換的應(yīng)用，將會改變傳統(tǒng)通訊產(chǎn)業(yè)運(yùn)作模式，Mellanox 、Luxtera等光通信公司及設(shè)備商華為等公司皆投入相關(guān)研究。