光子芯片：Ai时代的重磅逻辑

摘要：①Ai超算必须发展光子芯片  ②CPO（光电共封装）的核心器件是光子芯片 ③发展光子芯片是解决卡脖子问题的唯一途径

      电子芯片，需要使用硅片，长时间使用速度会很卡顿，相比于硅基芯片，光子芯片速度能提升1000倍，光子芯片也不需要使用硅片，而且对结构要求更低，降低了对新进工艺的依赖，无需使用EUV高端光刻机，而且功耗仅为硅基芯片的万分之一，所以具有无可比拟的速度和功耗优势。光子芯片被誉为中国的超级芯片，未来有望成为取代硅基芯片的最重要方向。

光子芯片是大幅提高算力和降低能耗的必然选择

       信息时代的基础设施是电子芯片（集成电路），人工智能时代将更多地依托光子芯片（集成光路），光子芯片是未来新一代信息产业的基础设施和核心支撑。

与电子相比，光子作为信息载体具有先天的优势：

一、在传输信息时光子具有极快的响应时间。光子脉冲可以达到fs量级（飞秒量级），信息速率可以达到几十个Tb/s，性能能够提升数百倍。

二、光子具有极高的信息容量，比电子高3~4个量级。采用光交互系统的新型使能技术可以实现低交换延迟和高传输带宽。

三、光子具有极强的存储和计算能力，能以光速进行超低能耗运算。

四、光子具有极强的并行和互连能力。光子是玻色子，不同波长的光可用于多路同时通信。

五、光子具有超低的能耗表现。1bit信息的能耗，光子器件比电子器件低3个数量级，仅为电子器件的千分之一。

       最近，ChatGPT炙手可热，背后的支撑是海量数据的深度学习，意味着巨大的能耗。随着深度学习向其它领域拓展，这一矛盾将更加突出。在chatGPT出现之前据测算未来五年它可能会发展至消耗掉全球20%的电力供应。如果没有技术变革或突破，未来人类极有可能要在信息数据和能源之间做出选择。而以光子芯片为基础的技术路线，理论上有望将数字产业能耗降低至电子芯片的千分之一。

在计算端，采用光子芯片替代电子芯片，计算能力、响应时间都会是数量级的优化。

光子芯片是CPO（光电共封技术）的核心器件

        AI模型向以ChatGPT为首的大规模语言模型发展，驱动数据传输量和算力提升。伴随数据传输量的增长，光模块作为数据中心内设备互联的载体，需求量随之增长。此外，伴随算力提升能耗增长，厂商寻求降低能耗方案，推动低能耗的光模块发展。

        在结构上，将光芯片和电芯片焊接在同一个基板上，芯片之间采用光连接，这就是光电共封技术(co-packaged，CPO）。光子芯片将信息和传输和计算提供一个重要的连接平台，可以大幅降低信息连接所需的成本、复杂性和功率损耗。有数据统计，在多平面网络架构下的，新一代数据中心对光模块的需求量增加了65倍。光芯片的性能直接决定光模块的传输速率，是产业链核心之一。光芯片位于整个产业链的顶端，占据光模块成本的50%以上，是产业链条中技术最复杂、价值最高的环节。

光子芯片是中国的重大战略机遇

        正如陕西光电子先导院执行院长米磊所言：“迎着智能化曙光，未来将掀起光子技术产业的革命，类似于从电子工业的晶体管迈入集成电路时代的技术革命，集成光路将是半导体领域60年一遇的“换道超车”的重要机遇。”

        全球科技革命是沿着机械化、电气化、信息化、智能化的演进规律和逻辑在推进的。第一次科技革命是以蒸汽机为代表的机械革命；第二次科技革命是以电为代表的电气化时代；第三次科技革命是以集成电路为代表的信息化时代。过去200多年，本质上是机械和电的时代，但它们的性能现在已经发展到了极致。下一个时代，很大可能将是光+人工智能的时代——以集成光路为基础设施的智能化时代。“米70定律”认为未来光学成本将占所有科技产品成本的70%。这一判断已在很多领域得到验证。例如，目前通信网络建设成本中的70%是光学成本，包括光学设备和系统的采购；无人驾驶汽车公司已将70%的资金投入到激光雷达等光学器件上；在显示领域，液晶面板中光学成本也占到了70%~80%的比例。

附：重点企业

                  企业1：中科光芯（跃岭股份002725持股36.19%）

       国内唯一能全生产链自主生产光子芯片的企业。公司由中国工程院“特聘专家”苏辉博士创立（拥有20多年半导体激光器研发及光电子集成制程平台经验），中国科学院福建物质结构研究所、福建省华兴创业投资有限公司、上市公司跃岭股份（002725）参与投资。公司现有产品覆盖InP基各类速率光芯片外延片、芯片、OSA器件、光模块。中科光芯在福州、石狮、武汉和深圳均建有研发中心、生产线，已累计销售超过5500万颗光芯片及器件，产品得到了国内主流通讯厂商的认可。目前EPON产品为主流市场，未来扩张GPON产品以及用于4G、5G基站建设配套的10G、25G激光器芯片及器件。其5G基站用25G 1310nm DFB直调激光器于2019年发布。

                 企业2：索尔思光电（EML激光器芯片、光模块）

       前身包括成都飞博创以及中国台湾的LuminentOIC，光芯片厂商嘉信光电。采用IDM模式，在美国加州、中国台湾新竹、成都和江苏常州建有产品研发与生产基地，逐步形成了从光芯片、OSA、光模块的整体研发与制造。聚焦10G-53Gbd EML/FP/APD/PD，10G-25G DFB。最具优势产品25G EML光芯片已实现出货。华西股份及旗下一村资本自2019年1月持续向索尔思出资，截止目前实现间接持有索尔思光电股权54.68%。根据公开资料，索尔思的激光器芯片2019年产能传送端1100万只/接收端1400万只，OSA组件年产能达到1300万只，光模块的年产能达到1100万只。2019年主营业务收入1.63 亿美元，净利润-1.53亿美元，客户为亚马逊、苹果、Juniper、华为、Cisco、中兴等。

企业3：源杰半导体（源杰科技688498）

        公司由国内著名投资机构和技术团队共同创办，聚集了光通讯芯片大量本土优秀人才，拥有数条从MOCVD外延生长、芯片生产、自动测试的生产线。拥有2.5G-25G速率自主知识产权DFB芯片，2019年Q4 25G芯片上量，2020年全面向10G、25G过渡，预计本年实现近1亿元规模。近年来收入多来自于接入网领域，未来拓展数据中心、5G商用。获得国内最大的光模块厂商中际旭创认可，芯片通过国内头部网络设备提供商华为等供应商资格认证。另外，公司与Sicoya、博创科技成立合资公司布局硅光模块，分别提供激光器芯片、硅光芯片、封装集成能力。根据公开资料及近期完成的新一轮融资，目前有金石投资、中关村瞪羚投资、博创科技、中际旭创、广发证券、中信证券、陕西先导光电集成、上海超越摩尔等参与投资。

企业4：仕佳光子（688313）

       公司聚焦光通信行业，主营业务覆盖光芯片及器件、室内光缆、线缆材料三大板块，主要产品包括PLC分路器芯片系列产品、AWG芯片系列产品、DFB激光器芯片系列产品、光纤连接器、室内光缆、线缆材料等。公司产品主要应用于骨干网和城域网、光纤到户、数据中心、4G/5G建设等，成功实现了PLC分路器芯片和AWG芯片的国产化和进口替代。公司秉承“以芯为本”的理念，保持对光芯片及器件的持续研发投入，不断强化技术创新、掌握自主芯片的核心技术。

                            企业5：长光华芯（半导体激光芯片、VCSEL光芯片）

附：其它关联企业

企业1：光迅科技

         公司是全球领先的光电子器件、子系统解决方案供应商。在硅光子芯片领域处于国内领先地位，硅光技术数通产品的产业化已于16年启动，芯片自制比率达到了70%—80%，低端芯片都可以自产，涉及硅光子产品技术开发。

企业2：博创科技

       子公司上海丰博负责承担上海“硅基高速光收发模块开发和产业化项目”，该项目目标为实现100G CWDM4光模块产能1万只/月以上100G PSM4光模块产能2万只/月，英国子公司具备全球较领先的PLC芯片制造能力，比如AWG芯片、MEMS芯片等。

企业3：联特科技

         互动易回复：公司拥有了光芯片集成、高速光器件以及高速光模块设计、生产的核心能力，在高速信号设计和仿真、光学仿真和光耦合工艺领域掌握了相关核心技术。公司目前研发的有基于EML（电吸收调制激光器）、SIP（硅光）、TFLN（薄膜铌酸锂）调制技术的800G光模块，以及用于下一代产品NPO（近封装光学）/CPO（共封装光学）所需的高速光连接技术、激光器技术和芯片级光电混合封装技术等。

       企业4：新易盛         

       专注于光电领域的硅光子、PAM4和相干光技术。对于子公司Alpine Optoelectronics, Inc，在硅光产品方面的贡献，新易盛表示，公司一向重视前沿产品和技术的研究开发，目前已成功发布多款基于硅光方案的高速光模块产品，公司在推出400G、800G等高端光模块产品时，使用了Alpine Optoelectronics, Inc自研的硅光芯片产品。                  

后记：Ai诱人前景和算力巨大成本之间的鸿沟！芯片自主可控、弯道超车的必然选择！

光子芯片：一个很大很长的逻辑！