◇信息時代的基礎(chǔ)設(shè)施是電子芯片（集成電路），人工智能時代將更多地依托光子芯片（集成光路），光子芯片是未來新一代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施和核心支撐　　

　　◇光子對電子并不是替代關(guān)系，準確地講光子產(chǎn)業(yè)是對電子產(chǎn)業(yè)的升級，能夠催生新的產(chǎn)業(yè)　　
　　◇現(xiàn)在是否應(yīng)全面布局人工智能時代的基礎(chǔ)設(shè)施，大力發(fā)展培育光子芯片，引領(lǐng)未來的“消費光子時代”？　　
　　◇隨著國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領(lǐng)先優(yōu)勢
　　
　　隨著全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入“后摩爾時代”，其進一步提升的難度與時間成本都非常之高。在面向“后摩爾時代”的潛在顛覆性技術(shù)里，光子芯片已進入人們的視野。其所具有的高速度、低能耗、工藝技術(shù)相對成熟等優(yōu)勢，能夠有效突破傳統(tǒng)集成電路物理極限上的瓶頸，滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等產(chǎn)業(yè)對信息獲取、傳輸、計算、存儲、顯示的技術(shù)需求。也因之國際巨頭正投入大量資源進行研發(fā)，目前已對傳統(tǒng)芯片形成部分替代，并在5G通信、大數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域開拓了大量新應(yīng)用。
　　
　　對我國而言，既要在傳統(tǒng)賽道電子芯片領(lǐng)域盡快補短板，也要盡早在光子芯片等新賽道布局發(fā)力。雙管齊下，抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機遇，努力爭取實現(xiàn)“非對稱趕超”。
　　
　　光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)
　　
　　芯片是人類信息技術(shù)史上的一次變革性突破。從石器時代的壁畫、巖畫，到農(nóng)業(yè)時代的竹簡、活字印刷術(shù)，再到工業(yè)時代的電話、電報、電視，人類信息生成、傳輸、處理、存儲等載體發(fā)生了多次變革。從本質(zhì)上講，芯片就是通過利用半導(dǎo)體材料的物理特性來實現(xiàn)對承載信息的微觀粒子（電子或光子等）的操控，進而實現(xiàn)信息生成、傳輸、處理、存儲等的一種關(guān)鍵技術(shù)。
　　
　　電子芯片是利用電子來生成、處理和傳輸信息的，光子芯片則是利用光子來生成、處理、傳輸并顯示信息的。
　　
　　自19世紀末、20世紀初物理學(xué)發(fā)現(xiàn)電子以來，人類開辟了電子技術(shù)的新時代。通過在半導(dǎo)體材料上對電子進行操控，人類實現(xiàn)了通過電子來生成、處理和傳輸信息，實現(xiàn)了信息技術(shù)的跨越式發(fā)展。從首個電子管被制造出來，到晶體管誕生，半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展。直到集成電路被發(fā)明出來，電子芯片成為現(xiàn)代信息技術(shù)的基石，推動人類社會進入了微電子科技時代。電子芯片誕生以來，經(jīng)過六七十年的發(fā)展，圍繞它已形成一個成熟、龐大的產(chǎn)業(yè)體系，帶動了信息產(chǎn)業(yè)、軟件行業(yè)和消費電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，催生了CPU、操作系統(tǒng)、PC、手機、筆記本電腦等數(shù)萬億的產(chǎn)值以及下游互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等應(yīng)用領(lǐng)域幾十萬億的產(chǎn)值。
　　
　　光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)?？茖W(xué)家普遍認為，光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息。荷蘭科學(xué)家最早提出“以光子作為信息載體和能量載體的科學(xué)”。中國科學(xué)院西安光機所首任所長龔祖同院士（學(xué)部委員）在1978年9月召開的第二屆全國高速攝影會議的發(fā)言中提到，激光問世以后，與其聯(lián)系著的光子學(xué)逐步成長。1979年，錢學(xué)森教授在《中國激光》上著文，首次提出“光子學(xué)、光子技術(shù)和光子工業(yè)”的構(gòu)想，并認為以集成光路為核心的光子計算機的運算能力可以超過電子計算機百倍、千倍乃至萬倍。
　　
　　電子學(xué)有四個基本要素，分別是作為載體的電子、作為傳輸介質(zhì)的電纜和電路、發(fā)電機和晶體管。與之對應(yīng)，在光子學(xué)中信息載體是光子，傳輸介質(zhì)是光波波導(dǎo)和光纖，激光發(fā)射器好比發(fā)電機，光電調(diào)制元件相當(dāng)于電子開關(guān)和電子晶體管。
　　
　　從發(fā)展路線來看，電是從電學(xué)開始到電子學(xué)，再到電子回路、電子集成、電子系統(tǒng)、電子工程，最后到電子產(chǎn)業(yè)。光是從光學(xué)開始到光子學(xué)、光子回路、光子集成、光子系統(tǒng)、光子工程，最后到光子產(chǎn)業(yè)。根據(jù)底層的科學(xué)邏輯可以判斷，人類一定會進入微光子學(xué)時代，利用微光子技術(shù)進行元器件的大規(guī)模集成必定會實現(xiàn)。
　　
　　光子芯片是否會替代電子芯片
　　
　　在電子芯片發(fā)展已有六七十年、產(chǎn)業(yè)已經(jīng)很成熟的情況下，為什么要發(fā)展光子芯片？
　　
　　一是以電子為載體的技術(shù)發(fā)展已趨近物理極限。當(dāng)下集成電路是以硅為基礎(chǔ)材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當(dāng)制程降至7納米以下時，極易出現(xiàn)電涌和電子擊穿問題，也就是已經(jīng)很難完美地控制電子了。雖然代表全球最頂尖水平的臺積電仍然在不斷地進行3納米及2納米的技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)能投資，但業(yè)內(nèi)人士普遍認為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會達到物理極限，亟需尋找創(chuàng)新發(fā)展的出路。
　　
　　二是電子芯片尺寸降到極致時會出現(xiàn)“功耗墻”難題。比如，巨大的耗能壓力就是計算機發(fā)展的最大技術(shù)障礙之一。雖然國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進行了大量努力，但由于CMOS半導(dǎo)體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結(jié)構(gòu)、新材料。
　　
　　三是過去幾十年中處理器的性能以每年約55%的速度提升，而內(nèi)存性能的提升速度約為每年10%，長期累積下來，不平衡的發(fā)展速度造成了當(dāng)前內(nèi)存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪存瓶頸導(dǎo)致高性能處理器難以發(fā)揮出應(yīng)有的功效。簡單來講，就是大量信息存儲不過來、計算不過來。
　　
　　四是電子芯片性能提升的同時，性價比在降低。業(yè)界普遍認為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。根據(jù)SEMI國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會的芯片主流設(shè)計成本模型圖，采用FinFET工藝的5納米芯片設(shè)計成本已是28納米工藝設(shè)計成本的近8倍，更復(fù)雜的GAA結(jié)構(gòu)的設(shè)計成本只會更高，這僅是芯片設(shè)計、制造、封裝、測試中的設(shè)計環(huán)節(jié)。制造環(huán)節(jié)的晶圓代工廠的研發(fā)、建廠、購買生產(chǎn)設(shè)備耗費的資金會更多，比如三星在美國得克薩斯州計劃新建的5納米晶圓廠預(yù)計投資高達170億美元。
　　
　　那么，光子芯片能夠解決電子芯片解決不了的難題嗎？
　　
　　有物理基礎(chǔ)的人應(yīng)該知道，電子是費米子，是有質(zhì)量的物質(zhì)，所以在傳輸信號時會因為質(zhì)量的慣性產(chǎn)生較多的能量損耗；光是玻色子，是物質(zhì)之間的相互作用力，靜止質(zhì)量為零，傳輸信號時能量損耗小。
　　
　　與電子相比，光子作為信息載體具有先天的優(yōu)勢：超高速度、超強的并行性、超高帶寬、超低損耗。
　　
　　一是在傳輸信息時光子具有極快的響應(yīng)時間。光子脈沖可以達到fs量級（飛秒量級），信息速率可以達到幾十個Tb/s，性能能夠提升數(shù)百倍。二是光子具有極高的信息容量，比電子高3~4個量級。采用光交互系統(tǒng)的新型使能技術(shù)可以實現(xiàn)低交換延遲和高傳輸帶寬。三是光子具有極強的存儲和計算能力，能以光速進行超低能耗運算。四是光子具有極強的并行和互連能力。光子是玻色子，不同波長的光可用于多路同時通信。五是光子具有超低的能耗表現(xiàn)。1bit信息的能耗，光子器件比電子器件低3個數(shù)量級，僅為電子器件的千分之一。
　　
　　如今，科學(xué)家們的期望，就是能夠像芯片控制電子那樣可靠地控制光子，以獲得更好的性能。
　　
　　以能耗的視角來看，目前以集成電路為基礎(chǔ)的數(shù)字產(chǎn)業(yè)能耗與日俱增，據(jù)測算未來五年它可能會發(fā)展至消耗掉全球20%的電力供應(yīng)。如果沒有技術(shù)變革或突破，未來人類極有可能要在信息數(shù)據(jù)和能源之間做出選擇。而以光子芯片為基礎(chǔ)的技術(shù)路線，理論上有望將數(shù)字產(chǎn)業(yè)能耗降低至電子芯片的千分之一。因此，發(fā)展更為節(jié)能的光子技術(shù)，也是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。
　　
　　同時，光子技術(shù)的應(yīng)用并不局限于芯片，其發(fā)展還可能推動人類更好地利用最大的“光子發(fā)射器”——太陽，以進一步挖掘能源領(lǐng)域的潛力。
　　
　　根據(jù)底層的科學(xué)邏輯，可以預(yù)見光子學(xué)、光子技術(shù)、光子產(chǎn)業(yè)將和電子學(xué)、電子技術(shù)、電子產(chǎn)業(yè)一樣高速發(fā)展。值得注意的是，雖然光子和電子相比有上述提及的優(yōu)勢，但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，光子對電子并不是替代關(guān)系，準確地講光子產(chǎn)業(yè)是對電子產(chǎn)業(yè)的升級，能夠催生新的產(chǎn)業(yè)。
　　
　　光子能夠?qū)ΜF(xiàn)有的電子芯片性能進行大幅度提升，解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計算機整體性能等難題。更為重要的是，過去電子芯片主要應(yīng)用于計算和存儲領(lǐng)域，而光子芯片可以在信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲及信息顯示等領(lǐng)域催生眾多新的應(yīng)用場景。
　　
　　在信息獲取方面，激光雷達、光傳感將在人工智能、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域形成新的應(yīng)用場景。在信息傳輸方面，形成了5G、光通信、量子通信等為代表的應(yīng)用場景，產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大。在信息處理方面，形成了光子計算、量子計算等應(yīng)用場景，未來將大幅度提升計算機性能。在信息存儲方面，5D激光存儲、光收發(fā)模塊等將形成云計算與大數(shù)據(jù)中心等新的應(yīng)用場景。在信息顯示方面，將形成VR、AR及microLED等新的信息顯示應(yīng)用場景。此外，光子芯片在生命健康、超導(dǎo)材料以及國防裝備等方面，將形成神經(jīng)光子學(xué)、免疫分析、高超音速武器等新的重大應(yīng)用場景。
　　
　　可以說，信息時代的基礎(chǔ)設(shè)施是電子芯片，人工智能時代將更多地依托光子芯片，光子芯片是未來新一代信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施和核心支撐。
　　
　　光子芯片是中國的重大戰(zhàn)略機遇
　　
　　科技發(fā)展史印證了一個事實：誰能抓住一個時代的革命性技術(shù)，誰就能夠成為一個時代的領(lǐng)航者。英國利用機械革命實現(xiàn)了對古代中國的超越，美國利用電子技術(shù)實現(xiàn)了對英國的超越。中國要實現(xiàn)新的超越，應(yīng)抓住光子技術(shù)革命的重要機遇。
　　
　　一輪科技革命紅利擴散的周期大約為60年。從20世紀60年代開始，集成電路作為革命性技術(shù)推動了信息化的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)過去了60年，開始進入科技紅利擴散的衰退期。2008年以美國次貸危機為代表的全球經(jīng)濟衰退，本質(zhì)上就是上一輪科技革命推動力衰退的體現(xiàn)。
　　
　　當(dāng)下全球經(jīng)濟發(fā)展急需新一輪科技革命的驅(qū)動。作為集成電路的“非對稱性”技術(shù)，光子芯片有望成為信息領(lǐng)域新的底層技術(shù)支撐。
　　
　　目前，全球光子芯片產(chǎn)業(yè)剛剛起步，作為獨立于電子集成技術(shù)的新集成技術(shù)，其技術(shù)壁壘還沒有形成，這為我國光子芯片提供了足夠的研發(fā)時間與市場空間，也為我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了巨大的機會。
　　
　　近年來，我國在光子集成方面取得了一定的進展，著眼于光子集成技術(shù)實施了一系列重大研究計劃，包括973、863、國家自然科學(xué)基金重大項目等。雖然過去國內(nèi)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域處于落后狀態(tài)，但隨著研究基礎(chǔ)的加強及技術(shù)人員的不懈努力，目前國內(nèi)已經(jīng)具備了光子集成芯片研究條件，并且擁有巨大的光子芯片市場前景。
　　
　　芯片由電到光的轉(zhuǎn)換，是我國實現(xiàn)趕超的戰(zhàn)略機遇。
　　
　　在基礎(chǔ)理論方面，中國與美國基本處于同一水平?，F(xiàn)代光學(xué)理論源于愛因斯坦的原子輻射研究，基于愛因斯坦的研究設(shè)想，美國科學(xué)家于1960年發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。1961年，中國科學(xué)院長春光機所就研制出了中國第一臺紅寶石激光器。自現(xiàn)代光學(xué)產(chǎn)生以來，我國始終保持著持續(xù)的投入和研究，在基礎(chǔ)理論研究方面一直與美國齊頭并進。
　　
　　在技術(shù)方面，中外各有優(yōu)勢。比如，在光子集成技術(shù)研究方面，我國中科院西安光機所、中科院微電子所、中科院半導(dǎo)體所、上海微系統(tǒng)所和上海交大、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等都進行了長期研究，國家針對光子集成技術(shù)也實施了一系列重大研究計劃，在光子集成技術(shù)方面取得了很大的成就。目前世界上最高的光子集成規(guī)模為2014年實現(xiàn)的單片集成超過1700個功能器件。我國2016年啟動的B類先導(dǎo)專項——大規(guī)模光子集成芯片致力于開發(fā)集成器件大于2000的大規(guī)模光子集成芯片，并最終實現(xiàn)了15408個器件的大規(guī)模集成，集成規(guī)模世界領(lǐng)先。在光子芯片設(shè)計水平方面，我國處于世界一流水平。曦智科技設(shè)計出了全球首款光子計算芯片原型板卡，最新的單個芯片可集成12000個光子元器件，一些算法的實測性能已超過英偉達gpu的100倍，在光子計算領(lǐng)域領(lǐng)先國外。洛微科技發(fā)布了目前集成度最高的多通道FMCW激光雷達SoC光子芯片，單個芯片上可集成3000多個光子元器件。
　　
　　在產(chǎn)業(yè)化方面，全球還處于起步孕育期，產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚未形成，美國僅具有微弱優(yōu)勢。美國于2004年首次實現(xiàn)大規(guī)模光子集成，2017年下半年英特爾開始大批量供應(yīng)100G產(chǎn)品，標(biāo)志著光子集成真正進入到主流應(yīng)用領(lǐng)域。我國于2012年進入規(guī)?；呻A段，與美國差距不大。
　　
　　總體而言，相較于美歐在集成電路、機械等領(lǐng)域擁有數(shù)十年的積累優(yōu)勢，我國在光子芯片領(lǐng)域與國外差距較小，與美國的差距僅有5~10年。隨著國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領(lǐng)先優(yōu)勢。目前全球光子芯片產(chǎn)業(yè)尚未成熟、定型，世界上還沒有任何一個公司、任何一個國家構(gòu)建出光子集成生態(tài)，這也為我國在“后摩爾時代”換道超車提供了巨大空間。
　　
　　以科技革命的戰(zhàn)略眼光看待光子芯片
　　
　　全球科技革命是沿著機械化、電氣化、信息化、智能化的演進規(guī)律和邏輯在推進的。第一次科技革命是以蒸汽機為代表的機械革命；第二次科技革命是以電為代表的電氣化時代；第三次科技革命是以集成電路為代表的信息化時代。過去200多年，本質(zhì)上是機械和電的時代，但它們的性能現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了極致。下一個時代，很大可能將是光+人工智能的時代——以集成光路為基礎(chǔ)設(shè)施的智能化時代?；仡櫩萍际房梢园l(fā)現(xiàn)，人類的技術(shù)變革是由以“機電光算”（機械、電路、光學(xué)、算法）為代表的底層技術(shù)推動的。未來，“機電光算”的發(fā)展趨勢就是芯片化——電發(fā)展到集成電路，光發(fā)展到集成光路，機發(fā)展到MEMS芯片。
　　
　　未來光子技術(shù)將變得更加重要，隨著摩爾定律瀕臨失效，光子技術(shù)在科技產(chǎn)品中的占比將逐漸增加?；诖耍?016年我們提出了“米70定律”，認為未來光學(xué)成本將占所有科技產(chǎn)品成本的70%。這一判斷已在很多領(lǐng)域得到驗證。例如，目前通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本中的70%是光學(xué)成本，包括光學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)的采購；無人駕駛汽車公司已將70%的資金投入到激光雷達等光學(xué)器件上；在顯示領(lǐng)域，液晶面板中光學(xué)成本也占到了70%~80%的比例。未來，智能手機和智能汽車上的創(chuàng)新基本都是在光學(xué)方向發(fā)力。如果說19世紀是機械的世紀，20世紀是電的世紀，那么21世紀將是光的世紀。
　　
　　從技術(shù)演進和投資方向來看，美國20世紀70年代開始布局信息產(chǎn)業(yè)底層技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施電子芯片，80年代扶持軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展，90年代布局光通信，2000年發(fā)力互聯(lián)網(wǎng)，搭建了完整的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，引領(lǐng)了全球信息產(chǎn)業(yè)革命，獲得巨大的產(chǎn)業(yè)紅利、全球紅利和時代紅利。
　　
　　類比集成電路技術(shù)“器件系統(tǒng)-小型化-微型化-中小規(guī)模集成化-大規(guī)模集成化-芯片系統(tǒng)”的演進過程，可以說現(xiàn)在集成光路技術(shù)的整體發(fā)展正處于類似于上世紀60年代初集成電路的大規(guī)模集成階段。在這個階段，我們需要深入思考：現(xiàn)在是否應(yīng)全面布局人工智能時代的基礎(chǔ)設(shè)施？是否應(yīng)該抓住千載難逢的行業(yè)發(fā)展機遇，以極具前瞻性的眼光，大力發(fā)展培育光子芯片，引領(lǐng)未來的“消費光子時代”？
　　
　　近十年來，歐美發(fā)達國家圍繞光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展皆進行了系統(tǒng)的部署和行動。1991年美國政府便將光子學(xué)列為國家發(fā)展重點，認為光子學(xué)在國家安全與經(jīng)濟競爭方面有深遠的意義和潛力，通信和計算機研究與發(fā)展的未來世界屬于光子學(xué)領(lǐng)域。此后相繼成立了“美國光電子產(chǎn)業(yè)振興會”、“國家光子計劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、國家光子集成制造創(chuàng)新研究所。2021年，為確保美國在全球光基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新方面保持領(lǐng)先，美國國會牽頭成立了國家光學(xué)與光子學(xué)核心小組，并投入巨資支持光子技術(shù)發(fā)展。此外，IBM、英特爾、思科等科技巨頭也在光子芯片領(lǐng)域進行了廣泛布局。我國多區(qū)域已將光子產(chǎn)業(yè)作為最具戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性的新興產(chǎn)業(yè)予以部署。北京加快布局建設(shè)光電子新型研發(fā)機構(gòu)，發(fā)起成立光子硬科技投資基金。陜西率先發(fā)布“追光計劃”，致力于打造國內(nèi)首個集“新型研發(fā)機構(gòu)+共性技術(shù)平臺+基金+產(chǎn)業(yè)集群”于一體的“兩鏈”融合光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)?！盎蚯?qū)⒁竭_的地方，而不是它已經(jīng)在的地方?！庇悄芑锕?，未來將掀起光子技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命，類似于從電子工業(yè)的晶體管邁入集成電路時代的技術(shù)革命，集成光路將是半導(dǎo)體領(lǐng)域60年一遇的“換道超車”重要機遇。光子芯片或?qū)⒊蔀榈谒拇慰萍几锩?G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，推動人類社會邁進“光子時代”。
　　
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