隨著摩爾定律逐步逼近物理規(guī)律極限，微電子技術(shù)集成電路發(fā)展瓶頸已經(jīng)出現(xiàn)，光電芯片成為下一代芯片技術(shù)發(fā)展的方向之一。利用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)的光電芯片有望成為5G和人工智能時(shí)代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施電子芯片，并帶動(dòng)整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入“從電到光”的轉(zhuǎn)換過(guò)程。
1、美國(guó)光電芯片研發(fā)屢獲突破，技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位
2019年1月，美國(guó)哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)出新型光子集成芯片。該芯片可以存儲(chǔ)光并修改光的頻率，有望應(yīng)用于光量子信息處理、光信號(hào)處理和微波光子學(xué)。研究人員表示，許多光量子和經(jīng)典光學(xué)應(yīng)用都需要改變光的頻率，而該芯片首次利用微波以可編程的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)光頻率的修改。
2019年6月，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新型光子芯片。該芯片不僅體積更小，具有更低的功耗，且處理大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的效率比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)高出數(shù)百萬(wàn)倍。研究結(jié)果表明，該芯片運(yùn)行光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的效率是電子芯片的千萬(wàn)倍。該芯片可提高訓(xùn)練和測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度與效率，其應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、藥物開發(fā)、醫(yī)學(xué)成像和無(wú)人駕駛汽車等。
2.光電芯片研究成果將加速其在人工智能等領(lǐng)域的應(yīng)用
2019年4月，啟和科技（Lightelligence）成功開發(fā)出世界首款光子芯片原型板卡。研究人員在該原型板卡上成功應(yīng)用光子芯片運(yùn)行Google Tensorflow自帶的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并完成對(duì)MNIST數(shù)據(jù)集的處理。在測(cè)試中，該光子芯片獨(dú)立完成超過(guò)95%的運(yùn)算，運(yùn)算準(zhǔn)確率在97%以上，已經(jīng)接近電子芯片，而光子芯片完成矩陣乘法所用的時(shí)間僅為最先進(jìn)的電子芯片的約 1%。該光子芯片成功驗(yàn)證了用光子代替電子進(jìn)行人工智能計(jì)算的可行性。
2019年5月，英特爾與美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校（University ofCalifornia，Berkeley）的研究人員提出構(gòu)建光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新架構(gòu)，該研究有助于納米光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際中應(yīng)用。研究人員提出構(gòu)建光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎的GridNet和FFTNet兩種架構(gòu)，并在針對(duì)手寫數(shù)字識(shí)別任務(wù)的軟件仿真中，對(duì)這兩種架構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練。研究人員發(fā)現(xiàn)，在雙精度浮點(diǎn)值下，GridNet的精度要高于FFTNet，F(xiàn)FTNet則對(duì)制造過(guò)程的精確性有更高的容忍度，且兩種架構(gòu)均可用于規(guī)?；a(chǎn)。此項(xiàng)成果將推動(dòng)基于光電芯片的人工智能硬件生態(tài)系統(tǒng)的搭建，為光電芯片的大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造可能。
3.對(duì)中國(guó)的影響和啟示
人工智能、大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算等前沿科技飛速發(fā)展，帶動(dòng)芯片制造工藝和設(shè)計(jì)水平直線提升。隨著微電子芯片制造工藝逼近1納米物理極限，依靠工藝水平精進(jìn)提升芯片性能的方法越來(lái)越難以奏效，摩爾定律正瀕臨失效。由于光子在芯片中不受電磁阻力等的影響，可大幅提升芯片的信息處理效率，光子學(xué)與芯片結(jié)合的光電芯片技術(shù)有望擺脫摩爾定律的桎梏。
當(dāng)前，全球光電芯片行業(yè)尚未形成寡頭壟斷局面，但美、日廠商占據(jù)整體規(guī)模優(yōu)勢(shì)，中國(guó)主要面臨幾方面的挑戰(zhàn)：
一是知識(shí)產(chǎn)權(quán)受限，國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)已對(duì)部分器件、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和某些技術(shù)路徑申請(qǐng)專利，憑借專利把控產(chǎn)業(yè)鏈高端市場(chǎng)，搶占市場(chǎng)空間，中國(guó)企業(yè)通過(guò)自主創(chuàng)新繞過(guò)專利壁壘難度高；
二是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定能力不足，國(guó)外機(jī)構(gòu)和廠商在相關(guān)技術(shù)上已有多年積累，掌握行業(yè)話語(yǔ)權(quán)，而中國(guó)只能參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；
三是高端產(chǎn)品核心技術(shù)缺失，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)配套能力薄弱電子芯片，中國(guó)低速光電芯片產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率很高，但在高速光電芯片方面技術(shù)不足，與國(guó)外差距明顯。
四是中國(guó)在光電芯片設(shè)計(jì)工具、基礎(chǔ)工藝和制造裝備等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)方面配套能力不足。
面對(duì)光電芯片落后的現(xiàn)狀，中國(guó)應(yīng)重視技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃布局，突破關(guān)鍵技術(shù)，培育和構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)提升與底層技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)技術(shù)、政策和產(chǎn)業(yè)環(huán)境的多渠道協(xié)同，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)布局向高端和自主可控發(fā)展。
文章由啟和科技編輯
