硅基光電子芯片是目前半導(dǎo)體芯片發(fā)展的最高級階段。本圖由作者提供。 電子和光子在半導(dǎo)體中獨立運作或者相互作用奠定了不同芯片的基礎(chǔ)。芯片不僅扮演了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)心臟的角色，也給人類社會帶來了各種各樣的機(jī)會。對這些芯片的了解程度決定了把握這些機(jī)會的能力。心痛可能導(dǎo)致休克，甚至死亡；“芯” 痛則可能導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)停滯，甚至消亡。

本文通過四個簡單的概念，介紹四種不同的芯片。希望這些基本知識能夠被引伸到對芯片技術(shù)以及與之相關(guān)的社會發(fā)展問題的一個全新了解。以便從基礎(chǔ)創(chuàng)新，人才培養(yǎng)，到產(chǎn)業(yè)布局，都能夠尊重科技發(fā)展的自然規(guī)律，依靠扎扎實實地耕耘和適當(dāng)?shù)馁Y源配置，高效率地獲得核心芯片，不再 “芯” 痛。

撰文| 周治平

● ● ●

芯片是一個既熟悉又生疏的話題。我們每個人都聽說過芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特別是最近，除了科研院所，政府機(jī)關(guān)，資本市場在認(rèn)真對待以外，在商店里，火車上，豬肉店，水泥廠也有人在討論芯片，有的還打算去創(chuàng)業(yè)造芯片。然而，絕大多數(shù)人都沒有真正見過芯片長什么樣，更不用說了解它們的工作原理并區(qū)分不同的芯片了。

大約在60多年前，人們就開始在硅片上進(jìn)行芯片加工了。當(dāng)時的芯片非常簡單，有的只有一個晶體管，但是已經(jīng)展現(xiàn)出在尺寸、能耗、和價格方面超越電子管的巨大優(yōu)勢。那個時代叫晶體管時代。

然后到了大家熟悉的集成電路時代，經(jīng)過光電子時代，又到了現(xiàn)在這個大家生疏的硅基光電子時代。這些不同的時代實際上是借助了半導(dǎo)體芯片的發(fā)展而實現(xiàn)更迭的。

正如人體心臟的主要功能是推動血液流動，向其他器官、組織提供充足的血流量，以維持它們正常的代謝和功能一樣，在今天的信息社會里，半導(dǎo)體芯片擔(dān)負(fù)著處理信息，并且向各行各業(yè)各個角落傳遞信息的功能。芯片功能的強(qiáng)弱決定了信息社會的強(qiáng)弱。缺乏核心芯片引起的“芯”痛則可能導(dǎo)致信息社會停滯，甚至消亡。

1四個概念

要想真正地了解芯片，第一步就是把下面的四個基本概念弄清楚。什么是電子？什么是光子？什么是光譜？什么是半導(dǎo)體？這些名詞聽起來好像非常的玄，但實際上非常好理解。

電子和光子都是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。大量電子形成的電流，通過金屬導(dǎo)線傳輸；大量光子形成光束通過光波導(dǎo)傳播。不同的是，電子和電子之間可以相互作用：兩束電流相交將形成短路，合為一體；光子之間的相互作用就不那么容易了：兩束光相交叉以后，仍然各走各的路。

光譜是光子的特征，表達(dá)光子的不同頻率分布?？梢苑謩e攜帶不同的信息。因此，在一根電線里只可以傳輸一路信號；而在一根光波導(dǎo)里則可以同時傳輸許多路不同的信號，使通信容量和速度大大地增加。

半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。常見的半導(dǎo)體有硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等，硅是各種半導(dǎo)體中，在商業(yè)應(yīng)用上最為成功的一種。

在半導(dǎo)體晶體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，使其導(dǎo)電性能可控，這一特性使半導(dǎo)體成為制造電子芯片的最佳材料。

半導(dǎo)體中電子和光子擁有強(qiáng)烈的相互作用：加電可以發(fā)光；光照可以發(fā)電。它們是光電子芯片的基礎(chǔ)。

2四種芯片

迄今為止，四種不同的芯片都是在半導(dǎo)體材料上發(fā)展起來的，也可以被叫做半導(dǎo)體芯片。它們是依賴電子、光子、或者光電相互作用，決定了它們的特征和用途。

自從1897年湯姆森證實電子的存在以來,電子經(jīng)歷了電真空時代（1905），晶體管時代（1947），來到了集成電路（1958）時代。所謂的集成電路也就是電子芯片的一種，就是我們大家每天都聽說的，每天都在用的IC芯片。集成電路主要以硅為材料，它的一個重要特征就是僅僅只利用電子來作為信息載體。

借助于摩爾定律的推動以及芯片啟和科技的努力，電子產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)成為了全球經(jīng)濟(jì)不可分割的一部分。

光子這個名稱是在1927年才被人們所認(rèn)可。經(jīng)歷了空間光學(xué)時代和集成光學(xué)時代，專家學(xué)者們在30多年以后，借用了電子學(xué)發(fā)展的路徑，利用類似的技術(shù)和方法，將大型的光學(xué)元器件集成到了一個小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的重要特征就是僅僅利用光子作為信息載體，不需要電子的參與。