編者按：
當下科技競爭日趨激烈，最受關(guān)注的芯片技術(shù)更是日新月異。早在上世紀90年代，IT從業(yè)者就開始為傳統(tǒng)半導體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個追逐的目標。那么，硅光芯片能否突破摩爾定律，開辟新的“賽道”？
全文約2096字，建議閱讀時間7分鐘。
導語
電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，難以滿足高性能計算不斷增長的數(shù)據(jù)吞吐需求。硅光芯片用光子代替電子進行信息傳輸，可承載更多信息和傳輸更遠距離，具備高計算密度與低能耗的優(yōu)勢。隨著云計算與人工智能大爆發(fā)，硅光芯片迎來技術(shù)快速迭代與產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展。
各國都已在該領(lǐng)域布局很久。2014年10月，奧巴馬就宣布建立“國家光子集成制造創(chuàng)新研究所”，IBM、Intel等企業(yè)和MIT、UCSB等機構(gòu)都不遺余力發(fā)展大規(guī)模光子集成芯片，集成850個器件的大規(guī)模光子芯片也在2015年出現(xiàn)。幾乎同時，中國科學院也啟動了由西安光學精密機械所牽頭，半導體所、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)所、計算技術(shù)所共同承擔的先導專項“大規(guī)模光子集成芯片”，希望構(gòu)建起大規(guī)模光子集成的材料、器件、集成、封裝工藝平臺。
集成850個器件的光子芯片結(jié)構(gòu)圖
預計未來三年，硅光芯片將承載絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的高速信息傳輸。
光子芯片演變發(fā)展
20世紀60年代以來，人類在電子計算機領(lǐng)域取得了無與倫比的成就。但經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，計算機也遇到了速率和功耗兩大瓶頸，進而衍生出阻礙電子計算機性能提升的3個技術(shù)壁壘：功耗墻、訪存墻與I/O墻。
制約高性能計算發(fā)展的最大技術(shù)障礙是能耗，E級系統(tǒng)功耗預計有466.7MW，全年40.88億千瓦時的用電量幾乎相當于三峽電站全年發(fā)電量的1/20。此外，處理器與內(nèi)存之間、處理器與處理器之間信息交互的速度嚴重滯后于處理器計算速度，訪存與I/O瓶頸導致處理器計算性能有時只能發(fā)揮出10%，這對計算發(fā)展形成了極大制約。受電子物理極限制約，傳統(tǒng)制程工藝的進步不但無助于問題的解決，甚至會惡化以上問題。
光子芯片不同于電子芯片，技術(shù)上另辟蹊徑，用光子代替電子進行信息傳輸，可以承載更多的信息和傳輸更遠的距離。光子彼此間的干擾少、提供相較于電子芯片高兩個數(shù)量級的計算密度與低兩個數(shù)量級的能耗。相較于量子芯片，光子芯片不需要改變二進制的架構(gòu)，能夠延續(xù)當前的計算機體系。光子芯片需要與成熟的電子芯片技術(shù)融合，運用電子芯片先進的制造工藝及模塊化技術(shù)，結(jié)合光子和電子優(yōu)勢的硅光技術(shù)將是未來的主流形態(tài)。
硅光芯片應(yīng)用趨勢
近期，云計算與人工智能的大爆發(fā)讓光子傳輸?shù)膬?yōu)越性得以凸顯。在通信場景，由于大型分布式計算、大數(shù)據(jù)分析、云原生應(yīng)用讓數(shù)據(jù)中心內(nèi)的數(shù)據(jù)通信密度大幅提升，數(shù)據(jù)移動成為性能瓶頸。傳統(tǒng)光模塊成本過高，難以大規(guī)模應(yīng)用，硅光芯片能夠在低成本的前提下有效提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)集群之間、服務(wù)器之間、乃至于芯片之間的通信效率。在計算場景，據(jù)OpenAI統(tǒng)計，自2012年，每3.4個月人工智能的算力需求就翻倍，摩爾定律帶來的算力增長已無法完全滿足需求，硅光芯片作為解決方案的價值得到廣泛的期待。
尤其需要注意的是，光通信與光計算相輔相成，光通信中的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)會在光計算中得到應(yīng)用，光計算要求的低損耗、高密度光子集成技術(shù)也會促進光通信發(fā)展。兩者的結(jié)合最終會讓數(shù)據(jù)計算和傳輸都在光域完成。
“大規(guī)模光子集成芯片”先導專項實施路線圖
展望
盡管光子元器件、硅光制程技術(shù)都在近期取得突破，硅光技術(shù)的成熟還需要解決一系列問題。首先，硅光芯片的設(shè)計、封裝等環(huán)節(jié)尚未標準化和規(guī)模化，其產(chǎn)能、成本、良率優(yōu)勢還未顯現(xiàn)；其次，光計算的精度仍低于電子芯片，集成度也需要進一步提高。
光電融合是未來趨勢，硅光子和硅電子芯片取長補短才能促進算力提升。未來三年，硅光芯片將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸；未來五到十年，以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計算將逐步取代電子芯片在部分計算場景中的角色。
來源：達摩院DAMO
更多阿里云研究院出品的關(guān)于阿里巴巴集團數(shù)字化實踐、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿科技的最新趨勢研究報告，請您關(guān)注“阿里云研究”微信公眾號。
