新型光子芯片正在改變未來

光纖無線或許不再有任何障礙。米蘭理工大學與比薩圣安娜高等學校、格拉斯哥大學和斯坦福大學合作進行的一項研究，發表在著名期刊《自然光子學》上，使創建能夠通過數學計算最佳形狀的光子芯片成為可能光線能夠最好地穿過任何環境，即使是未知的或隨時間變化的環境。

這個問題是眾所周知的：光對任何形式的障礙物都很敏感，即使是非常小的障礙物。例如，想一想當透過磨砂窗戶或當我們的眼鏡起霧時我們如何看到物體。這種效果與光學無線系統中攜帶數據流的光束非常相似：信息雖然仍然存在，但卻完全扭曲并且極難檢索。

光學無線技術的新突破采用光子芯片，可有效塑造光以改善數據傳輸，這對于未來無線網絡和高速數據處理的進步至關重要。

創新光子芯片技術

這項研究中開發的設備是用作智能收發器的小型硅芯片：成對工作，它們可以自動且獨立地「計算」光束需要什么形狀，以便以最大效率穿過通用環境。這還不是全部，它們還可以生成多個重疊的光束，每個光束都有自己的形狀，并引導它們而不互相干擾；這樣，傳輸容量就大大增加，正如下一代無線系統所要求的那樣。

高效先進的加工

「我們的芯片是數學處理器，可以非?？焖儆行У乩霉膺M行計算，幾乎不消耗能源。光束通過簡單的代數運算（本質上是求和和乘法）生成，直接對光信號執行，并通過直接集成在芯片上的微天線傳輸。這項技術具有許多優點：處理極其簡單、能源效率高以及超過 5000 GHz 的巨大帶寬?！姑滋m理工大學光子器件實驗室負責人 Francesco Morichetti 解釋道。

轉向模擬技術

「如今，所有信息都是數字化的，但事實上，圖像、聲音和所有數據本質上都是模擬的。數字化確實允許非常復雜的處理，但隨著數據量的增加，這些操作在能源和計算方面變得越來越不可持續。如今，人們對通過專用電路（模擬協處理器）回歸模擬技術抱有極大興趣，專用電路將成為未來 5G 和 6G 無線互連系統的推動者。我們的芯片就是這樣工作的，」米蘭理工大學微納米技術中心 Polifab 主任 Andrea Melloni 說道。

各領域應用

「使用光學處理器的模擬計算在許多應用場景中至關重要，包括神經形態系統的數學加速器、高性能計算 (HPC) 和人工智能、量子計算機和密碼學、高級本地化、定位和傳感器系統?！筍cuola Superiore Sant'Anna TeCIP 研究所（電信、計算機工程和光子學研究所）的電子學教授 Marc Sorel 補充道。

這項工作由 NRRP 和 RESTART 研發計劃「未來電信系統和網絡的研究和創新，讓意大利更加智能」共同資助。在 RESTART 計劃中，米蘭理工大學的 Andrea Melloni 教授和 Piero Castaldi 教授、Istituto TeCIP、Scuola Superiore Sant'Anna Pisa 領導了「HePIC」重點項目和「Rigoletto」結構項目，旨在開發下一代光子學將支持未來 6G 基礎設施的集成電路和光傳輸網絡。

Yole：2028 年，硅光芯片市場將超過 6 億美元

自 2023 年初以來，圍繞硅光子學進行了大量炒作，并進行了大量投資，特別是光計算、光 I/O 和各種傳感應用。各種應用中的主要技術將相對較快地被基于光學的設計和架構所取代，這似乎是合乎邏輯的。巨頭們預測光學將是必要的，并且很快就會變得普遍，而初創公司正在通過研發開發新的應用。那么，我們能否期待這一預測很快實現呢？

盡管關于光子學與電子學結合的必要性存在很多爭論，但最大的硅光子市場——數據通信可插拔設備——僅產生約 12% 的數據通信收發器收入（預計到 2028 年將達到 30%）。半導體市場正經歷長期的下滑，導致客戶的購買行為更加務實。數據中心運營商更喜歡歷史悠久且低成本的技術解決方案。Yole Intelligence 的市場研究表明，硅光子學還不是一項主要技術，即使對于傳輸距離長達 500m 的數據中心內互連也是如此。

在這種背景下，硅光子學仍然是一項正在積極開發的技術，具有廣泛的潛在應用，暗示著即將出現的充滿希望的機會。未來十年，領跑者將會出現，導致行業整合。盡管如此，廣泛的應用將確保該技術有大量的擴展和擴散的機會。

Yole Group 在其新的《硅光子 2023》報告中估計，硅光子 PIC 市場到 2022 年價值 6800 萬美元，預計到 2028 年將產生超過 6 億美元的收入，2022-2028 年復合年增長率為 44% (CAGR2022) -2028）。這一增長主要是由用于增加光纖網絡容量的 800G 高數據速率可插拔模塊推動的。此外，對快速增長的訓練數據集大小的預測表明，數據將需要利用 ML 服務器中的光學 I/O 來擴展 ML 模型。

大量的數據中心需求，特別是在人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 領域，預計將推動未來十年的發展。憑借傳統的以處理器為中心的計算架構和銅互連，基于 3nm 技術的最先進芯片正在接近其物理極限，同時對更快數據傳輸的需求也隨之激增。因此，硅光子學因其能夠促進高速通信而成為主要焦點。

包含光纖 I/O 的架構可以簡化計算節點和內存池之間的訪問，利用光纖的扇出功能最大限度地減少訪問資源所需的交換跳數。Broadcom 的戰略計劃概述了交換芯片的發展軌跡，預計從今年的 51.2 Tb/s（5 nm 工藝節點）增加到 2025 年的 102.4 Tb/s（3 nm 工藝節點），并達到令人印象深刻的 204.8 Tb/s（2 nm 工藝節點）到 2027 年，這種指數級增長可以成為硅光子學在網絡應用中進步的重要催化劑，為未來顯著增強數據容量鋪平道路。硅光子學為具有大容量可擴展性需求的應用提供了一個多功能平臺。

其應用的主要和最直接的領域是數據中心，英特爾在該領域占據主導地位。第二個主要的大批量應用是電信，例如 Acacia，受益于硅處理的一致和卓越的性能。第三個廣泛的應用領域包括光學 LiDAR 系統，具有巨大的潛力，但面臨成本和 2D 光束掃描挑戰。3D 集成（將兩個芯片安裝在同一硅基板上）對于無縫控制至關重要。光學陀螺儀需要相當大的芯片來實現靈敏的旋轉傳感器，這得益于硅基板和氮化硅波導。量子計算在不斷發展的人工智能和機器學習領域至關重要。光計算是注重效率的任務的理想選擇，引起了業界的關注并有望產生重大影響。

先進的光子元件及其醫療用途集成可以改變醫療保健，實現更快、更精確的診斷、治療和患者監測。臨床采用可能需要克服監管和標準化挑戰?；诠韫庾拥尼t療應用前景廣闊，在各種醫療保健和醫療領域具有巨大潛力。將硅光子學擴展到可見光譜顯示了未來發展的潛力，提供了廣泛的創新應用。

硅光子產業格局正在圍繞不同的參與者形成，包括：主要的垂直整合參與者（英特爾、思科、Marvell、博通、Nvidia、IBM 等）積極投身硅光子產業；初創公司和設計公司（AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence）；研究機構（UCSB、哥倫比亞大學、斯坦福工程學院、麻省理工學院等）；代工廠（GlobalFoundries、Tower Semiconductor、imec、臺積電等）；和設備供應商（Applied Materials、ASML、Aixtron 等）。所有這些參與者都為顯著增長和多元化做出了貢獻。