硅光芯片制造技術是基于硅和硅基襯底材料，利用互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝進行光器件開發和集成的技術，其結合了集成電路技術超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢，與現有的半導體晶圓制造技術是相輔相成的。

李培剛

北京郵電大學教授、博士生導師

當下科技競爭日趨激烈，最受人關注的芯片技術更是日新月異。當IBM研發出2納米制程芯片的消息尚未傳開，臺積電和其合作伙伴就宣布取得了1納米以下制程芯片技術突破。業內普遍認為，人類正一步步逼近電子芯片的物理理論極限。

硅光芯片具有高運算速度、低功耗、低時延等特點，且不必追求工藝尺寸的極限縮小，在制造工藝上，也不必像電子芯片那樣嚴苛，必須使用極紫外光刻機（EUV）。

那么，硅光芯片能否突破摩爾定律的“天花板”，開辟新的“賽道”？

仍存需要突破的技術瓶頸

“硅光子技術的概念很早就有人提出了，但是要做好硅光芯片，并不是很容易。”北京郵電大學教授、博士生導師李培剛告訴科技日報記者，早在上世紀90年代，IT從業者就開始為傳統半導體芯片產業尋找繼任者，光子計算一度被認為是最有希望的未來技術。“因技術上的原因，直到21世紀初，以Intel和IBM為首的企業與學術機構才率先重點發展硅芯片光學信號傳輸技術，期望能用光通路取代芯片之間的數據電路。”李培剛說。

李培剛告訴記者，硅光芯片制造技術是基于硅和硅基襯底材料，利用互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝進行光器件開發和集成的技術，其結合了集成電路技術超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢，與現有的半導體晶圓制造技術是相輔相成的。

李培剛表示，我國十分重視硅光芯片產業的發展。但剛開始時，國內的高端硅光芯片以設計為主，流片主要還是在國外，芯片制備的周期長、成本高，制約了我國硅光子技術的發展，“加之國外限制中國的芯片技術發展，采取了一系列措施，對我國硅光芯片企業的發展造成了較嚴重的影響。”

李培剛告訴記者，硅光技術發展主要可以分為3個階段：第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即用硅把光通信底層器件做出來，達到工藝的標準化；第二，集成技術從耦合集成向單片集成演進，實現部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片；第三，光電一體技術融合，實現光電全集成化。把光和電都集成起來，實現更加復雜的功能。“目前硅光技術已經發展到了第二階段。”李培剛說。

在他看來，盡管硅光技術日趨成熟，硅光芯片即將進入規模化商用階段，但是仍存在需要突破的技術瓶頸，如設計工具非標準化、硅光耦合工藝要求較高以及晶圓自動測試及切割等存在技術性挑戰。

李培剛認為，我國在硅光芯片的研發上已經取得了技術突破，但在產業化方面，國產硅光芯片產業化技術還存在一些問題，包括結構設計、制造工藝、器件封裝和應用配套等，需要不斷發展成熟，“除了技術本身，硅光芯片的產業化也會受到材料、工藝、裝備、軟件、人才以及市場生態等綜合因素的影響。所以，在對技術方面的研發進行投入之外，形成一個好的產業生態，搭建平臺、優化生態，產業鏈上下游加大合作，對于硅光芯片的發展也是非常重要的。”李培剛說。

我國硅光芯片發展迅速

2017年11月28日，工信部正式批復同意武漢建設國家信息光電子創新中心，該中心由光迅科技、烽火通信、亨通光電等國內多家企業和研發機構共同參與建設，匯聚了國內信息光電子領域超過60%的創新資源，承載著解決我國信息光電子制造業“關鍵和共性技術協同研發”及“實現首次商業化”的戰略任務，著力破解信息光電子“缺芯”的局面。

2017年，上海市政府將硅光子列入首批市級重大專項，投入大量經費，布局硅基光互連芯片的研發和生產，旨在打造硅光芯片全產業鏈，掌握關鍵核心技術，讓國內企業擺脫對國外供應商的依賴。

2018年10月，由重慶市政府重磅打造的國家級國際化新型研發機構聯合微電子中心有限責任公司在重慶注冊成立，首期投資超100億元。

工信部2017年底發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片國產化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產化率超過60%，高端光電子芯片國產化率突破20%。

在政策支持下，我國硅光芯片發展迅速。2018年1月，國內第一個硅光子工藝平臺在上海成立，縮小了我國在加工制造上與國外的差距。

2018年8月29日，中國信科宣布我國首款商用“100G硅光收發芯片”正式投產。

2019年9月，聯合微電子中心有限責任公司實現了8英寸硅基光電子技術工藝平臺的通線。僅僅幾個月，其自主開發的硅光工藝就達到了非常好的水平，并正式向全球隆重發布“180nm成套硅光工藝PDK”，這標志著該公司具備硅基光電子領域全流程自主工藝制造能力，開始向全球提供硅光芯片流片服務。

國家層面，支持硅光技術的利好政策紛至沓來，各地政府也紛紛入局。上海市明確提出發展光子芯片與器件，重點突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發與應用，對光子器件模塊化技術、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術、光電集成模塊封裝技術等方面的研究開展重點攻關。湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點發展產業。“根據各地的規劃來看，很難看出各地布局實質性差異。各地將發揮自己原有的芯片產業基礎，并積極引進新的企業，各盡所能發展硅光芯片產業。”李培剛說。

光與電未來將攜手共贏

硅光技術因其諸多特性，已經成為業界下一個追逐的目標。隨著產業化技術的不斷成熟，產業環境不斷優化，我國硅光芯片產業正蓄勢待發。

根據英特爾的硅光子產業發展規劃，硅光模塊產業已經進入快速發展期。2022年，硅光子技術在每秒峰值速度、能耗、成本方面將全面超越傳統光模塊，預測硅光模塊的市場增速為40%，2024年達到39億美元，屆時有望占據整體市場規模的21%。

“目前來看，光和電是在兩個‘賽道’上，各有自己的應用場景。在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電集成，要實現全光計算還需要很長的一段時間。”李培剛說，光子集成電路雖然目前仍處于初級發展階段，不過其成為光器件的主流發展趨勢已成必然。

“總體來說，目前只在個別計算和傳輸領域，光子芯片可以替代電子芯片。”李培剛說，在制造工藝上，兩者雖然在流程和復雜程度上相似，但光子芯片對結構的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級，“這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當前芯片發展的瓶頸問題”。

“光有光的優勢，電有電的優勢。”李培剛說，在某些應用場景中，兩者有競爭，但更多的時候，二者是共贏關系。

“硅光芯片技術目前還沒有電子芯片成熟，所以未知的因素很多，未來應把兩者很好地銜接起來。”李培剛認為，電子集成電路和光子集成電路之間是互補的關系。“未來我們可以充分利用光子集成電路高速率傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優點，在新的‘賽道’上跑出更好成績。”李培剛說。