20年磨一剑,中国科学家回国创办硅光子公司!核心团队曾实现当时全球硅光子集成度最高的专用芯片|独家对话

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20年磨一剑,中国科学家回国创办硅光子公司!核心团队曾实现当时全球硅光子集成度最高的专用芯片|独家对话
麻省理工科技评论 2020-11-21

2020-11-21

用光子取代传统集成电路中的电子,这是一个可能产生 “颠覆式的技术创新” 方向,中国比美国晚起步十年。
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用光子取代传统集成电路中的电子,这是一个可能产生 “颠覆式的技术创新” 方向,中国比美国晚起步十年。

用光子取代传统集成电路中的电子,这是一个可能产生 “颠覆式的技术创新” 方向,中国比美国晚起步十年。但实际上,技术差距没有十年那么久。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员甘甫烷告诉 DeepTech,“中国比美国更敢投入,而且人员积累、工艺积累、资金的项目积累都做了很长时间,美国比我们走得早,但我们比美国走的更快”。

甘甫烷从事硅光子研究近 20 年,回国前在“硅光子科研重镇”麻省理工学院(MIT)获得博士学位。2019 年在和上海交通大学的校友分享其在 MIT 的学术生涯时,他表示当时枯燥难懂的基础知识尤其是电磁场的各种方程,在后来却成了半导体研究的利器。在 MIT 读博期间他学到最多的是 “创造、热情、自信”。后来之所以回国,原因之一是被中国的科教兴国战略感召。

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图 | 甘甫烷

如今的他还有另外一个身份 —— 赛勒科技创始人。赛勒科技成立于 2018 年 3 月,是一家硅光芯片设计及产品解决方案提供商,目前也在积极探索如何清除硅光子生产道路上的障碍。

在硅光子业内,一般通过以下指标来衡量产品是否优质:一是速率要足够高,至少 50-100Gbps 的单波速率才有价值;二是损耗要足够低,芯片内部要做到一个调制器低于 4 分贝;三是发送端(如调制器)的驱动电压越低越好,一般要求在 2-3 伏之间,以降低功耗。

与思科、Google、Facebook 这些竞争对手相比,赛勒科技的产品在同样可以实现单通道 100Gbps 以上速率的同时,还能做到损耗相对较低,达到 3 分贝左右,而他们的竞争对手通常只能做到 4-5 分贝。此外,赛勒还可以实现单片的集成,采用全集成的方案,而不是硅光子和传统技术的叠加。

赛勒科技的方案是做三维层 —— 一层硅光子,一层 IC,一层光源,以期把硅光子最大的集成优势发挥出来。在 2016-2017 年,甘甫烷团队就制成了当时世界上硅光子集成度最高的器件。

如今,他们已经可以实现每个通道 100Gbps、共 4 通道或者 8 通道的 4×100 或 8×100 集成。“赛勒科技的产品目前在国内处于领先地位。” 甘甫烷表示。

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图 | 光芯片的单片集成(来源:赛勒科技)

目前,赛勒的产品处于快速发展中。在甘甫烷看来,这得益于他们团队的两项优势。首先是队伍优势。赛勒年轻的团队让他们可以拥有对客户需求的快速响应,例如芯片出光等领域,客户提出需求之后,他们可以很快予以解决,够把原来的东西重新做成一个新的格式,让客户接受。其次则是出色的供应链管理。

赛勒与代工厂建立了非常紧密的合作关系,与客户一起开发工艺,使得代工厂的工艺可以快速成熟。这已经超越了一般芯片设计公司的业务范畴,而是通过向代工厂提供很多宝贵的信息,使得后者能够以最快的速度改进技术,满足赛勒的需求。从这个意义上讲,他们已经从单纯的芯片设计,走向了硅光子芯片技术的开发。

纵观硅光子在全球的发展情况,美国是硅光子最先兴起的、也是目前发展最超前的国家,早在 20 年前就开启了利用 CMOS 工艺技术对硅光子的探索深入研究。目前,美国的硅光子在 Facebook、Google 等公司已经开始量产,芯片出光方面也已经实现 demo 级别,很快将进入量产阶段。

而国内真正开始大规模研究硅光子是在 2010 年左右,之前多为学术上的研究,起步晚导致中国在硅光子的产品化进程上不如美国。但中国对于硅光子技术研发方面人才和资金的大规模投入,使得发展程度上不至于晚于美国 10 年之久。

甘甫烷形容,中国在硅光子领域的积累好比是十年磨一剑。他预计,有了人才、芯片工艺线、资金和市场的驱动,到 2022-2025 年大规模量产的时候,中国硅光子技术应该就很有机会和美国齐头并进了。

甘甫烷分析称,在学术研究上,起步晚导致中国在硅光子的产品化进程上不如美国。但中国对于硅光子技术研发方面人才和资金的大规模投入,使得发展程度上不至晚于美国 10 年之久。

中国在硅光子领域的积累好比是十年磨一剑。

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图 | 摩尔定律正面临失效风险(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

硅光子芯片能替代集成电路芯片吗?

5G、人工智能、大数据等技术的爆发式发展,得益于芯片技术的持续迭代。反过来,日益增加的数据存储计算、信息传输需求,也对芯片的性能提出越来越高的要求。

然而,传统芯片性能的进一步提升正在遇到瓶颈。虽然劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队在 2016 年已经将晶体管制程缩减到了 1nm,但继续发展下去,单位面积芯片上晶体管的数量已经接近物理极限,芯片性能的增加正在受到限制。

对于这一趋势,各领域科学家以及产业分析师早已有所察觉,“摩尔定律失效在即” 已经成为了不少人的共识。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登・摩尔于 1965 年发现的一个趋势,即单个芯片上可以容纳的晶体管数目大约每经过 18-24 个月便会增加一倍,处理器的性能也将提升一倍。

但经过几十年的发展,由于单个芯片上晶体管的数目增长已经接近物理极限,除非出现颠覆式的技术创新,否则戈登・摩尔所发现的 “规律” 很有可能无法再延续。

而其中一个可能的 “颠覆式的技术创新” 方向,就是用光子取代传统集成电路中的电子,来传输信号、进行计算。这便是所谓的 “以光代电”,用 “光子芯片” 来替代传统的集成电路芯片。

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图 | 光芯片很可能成为集成电路芯片的理想替代(来源:赛勒科技)

不同于集成电路芯片需要将大量微电子元器件(晶体管、电阻、电容等)放在一块塑基上做成形成的集成电路,硅光子芯片用硅做成芯片,利用硅的强大光路由能力,通过施加电压产生持续的激光束驱动硅光子元件,来实现光信息的传输、计算等功能。

“以光代电” 有三个明显的优势。中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员甘甫烷向 DeepTech 解释到,“用光子来取代电子,可以实现整体性能的提升。第一,光的带宽比电子大得多;第二,相比于电,光不容易受到干扰;第三,光本身可以做部分计算。” 这样一来,光子芯片便有可能大幅提升芯片的性能,让摩尔定律得以延续。

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图 | 光器件(来源:赛勒科技)

据了解,光电混合技术已被应用于光缆传输。但 “计算能力上,目前光确实尚不足以完全替代电。” 甘甫烷表示,“作为光子取代电子,更多的是基于光子带宽大和不易受干扰这两点。”

为什么用硅来做光子器件?

“最早很多人做硅光子,是因为认为光有可能会延续摩尔定律的发展。特别是用硅来做的话,可以跟电的 IC 芯片进行单片集成,甚至替代电实现计算。” 甘甫烷介绍到。

在硅光子之前,用来做光器件的多为三五族材料(如铟、砷)。但三五族材料存在两大问题,一是材料成本较高,例如砷元素,其实是砒霜的主要元素;二是生产工艺尚不成熟,产能无法与基于硅的集成电路成熟强大的产业链相提并论。

而硅,是地球上除了氧之外含量最高的元素,沙石中最常见的元素就是硅,原材料成本非常低;再加上现在成熟的电路都是用硅实现的,经历过几十年摩尔定律的洗礼。基于硅材料的集成电路行业十分完善很发达。因此,用硅来做光的器件,能够充分利用现有的 CMOS 工艺(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互补式金属氧化物半导体,集成电路行业常用的设计工艺)以及整个生产链,不需要额外高昂的成本,量产的可行性也相对较高。

除成本低这一天然条件外,硅光子在应用中也具有绝对优势。现阶段,最主要的应用是 5G、大数据等高速传输。甘甫烷介绍,“硅光子最大的优势就是集成,原本三五族元素方案只能集成几个器件,但硅光子可以做成几万个。” 高度集成化后的芯片在数据、信息的传输速率上会有极大的提升。而且,集成之后还可以实现多通道传输。对于数据中心、5G 一类长距离通讯,以及芯片内部的短距离传输来说,高带宽和多通道可以带来明显的优势。

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图 | 除了芯片内的短距离通信,硅光子还可以助力数据中心、5G 等长距离通讯(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

而在计算方面,光相比于电延时很短。电的计算要经过二极管、数字等转换,转换过程产生的延迟,甚至可达到光的几百倍。用光子芯片进行矩阵计算,其用时甚至可以比电子芯片小几个量级。

另外,在传感以及激光雷达方面,硅光子亦有其广阔的应用前景。

原理上无碍,工程化未可

从上世纪六七十年代发展到现在,硅光子的生产在原理上已经没有障碍,但在实现上依旧存在很大难题。

“设计必须要跟工艺强耦合才能做出高质量产品”,但从开始大规模采用 CMOS 工艺研发硅光子,距今经历了约 20 年左右,时间并不是很长,在工艺和技术积累上还欠些火候。

甘甫烷表示,只有彻底摸透硅光子技术,打通包括设计、工艺、封装、产品等完整的产业链条,才能真正做好硅光子。而现在能够摸透硅光子技术的团队,很少。

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图 | 要想彻底摸透硅光子技术,除了原理,还需要在设计、工艺上、封装、产品下产业链等方面全部打通(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

另外,硅光子芯片中起关键作用的片上激光器也是一个比较大的难题。以目前的研究,采用硅材料实现激光器和隔离器还是世界难题,且在工业线上实现硅光子和激光器、隔离器的混合也是困难重重。

不过,在甘甫烷看来,他所在的赛勒科技最大的价值在于他们解决了硅光子的封装难题。一个光器件中,光学封装成本大约要占到 60% 以上。这是因为,现有的技术普遍使用的是有源对光技术,需要根据观察结果反馈再进行调整以完成对光,“相当于是一边对光一边看,看的不对再调回去 。”

而赛勒科技使用的无源对光技术,例如对于光纤和激光器等元件来说,可以实现它们的自动对光成功。对比传统方案,无源对光技术能够应用于产品的大规模自动化生产,有利于硅光子芯片在 5G、数据中心等方面的运用,亦有促进芯片出光 CPU 发展的可能。甘甫烷认为,这是赛勒科技相比于国内外竞争对手最大的价值所在。

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