光芯片，用光突破计算瓶颈
芯片，又叫作集成电路，
近期，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，在高性能光子芯片制备领域取得了突破性进展，研发了可批量制造的新型光子芯片 ，相关成果及论文发表在了著名国际期刊《自然》上。
微芯片示意。版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷
众多芯片中，光芯片大不一样
芯片依赖电子 在集成电路中的运行来实现各种复杂的功能，芯片内部存在非常多的导线供电子穿梭。光芯片则是利用光在集成光路中的传输来实现各种复杂的功能 ，光芯片主要由发光器件（产生光），光波导（引导光传播的装置）组成。
光芯片结构示意，条纹结构为光波导组成的光芯片单元。图片来源：VLC Photonics
光波导是光在从一种介质传播到另一种介质时偶尔会发生的全反射现象。比如，当光从水传播到空气时，只要光与介质分界面所成角度到达特定范围，就会发生全反射现象，利用该现象能够制成引导光波前进的结构就叫作光波导。
光线在玻璃当中不断全反射。图片来源：wikipedia
现有芯片的种类和功能已经很完善了，为什么还要用光子芯片来替代传统芯片呢？这是因为芯片的性能已经无法满足人们在高速通信和人工智能方面的需求。
光子芯片的特点
与传统芯片对比，光子芯片如同光纤通信线路对比传统的通信电缆。 光纤能够传输更多的数据量，一根光纤所传输的数据量相当于数十根传统信号电缆 。
光纤传输中的光信号能够在长距离传输时保持较高的质量，相比之下信号电缆需要消耗更多的能量，且信号质量也会下降。光子芯片在传输速度，能耗方面相比于传统的芯片也有很大的优势 。
1.速度快
光的传播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能够传播 299792.458 千。相比之下，电信号在电路中的传输速度大约是光速的三分之二到四分之三，随着电路温度的升高，速度还会下降。
中国网民用户数目多达 10.92 亿，互联网产生了各种软件，使用这些软件所产生的数据量是巨大的。海量数据被上传至软件公司建立的数据中心进行处理，数据中心由众多高性能计算机（又叫服务器）组成，服务器之间需要快速交换大量数据。
把服务器比作水缸，水缸间需要通信芯片作为“水管”，将水缸连接在一起，如果水管太细（通信芯片速度无法满足需求），那么水缸的水就无法及时流入或排出，个别水缸水溢出时，也就发生了服务器崩溃（软件没法用了）。光芯片的出现，能够使得服务器之间以及数据中心与外界进行快速的数据交换。
光通信芯片及其结构显微图。图片来源：参考文献 2
2.能耗低
传统芯片进行运算时，电子在电路中运动会产热，高性能运算芯片的耗电量非常高，目前是制约芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驱动散热部件。为了散热，有的公司甚至将他们的数据中心建在了海底，利于海水冷却电子设备。
被打捞出来检修的水下数据中心。图片来源：microsoft
当前，训练人工智能大模型也面临着芯片性能和电力消耗的制约，为了解决这一问题，当前有两种思路。 一是光芯片与传统芯片的混合集成，传统芯片作为单个的计算单元，光芯片负责计算单元之间的高速通信桥梁，建立集群运算，有效提高运算速度，同时功耗的增加也在可接受范围内。二是设计制造光计算芯片，突破传统的微电子处理器芯片性能瓶颈。
结语
总而言之，光芯片作为继传统微电子芯片后，信息技术的又一重要支撑，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都极具潜力 。
从华人科学家、光纤之父高锟在 1966 年提出光纤用于长距离通信的理念，到 1970 年代末光纤开始商业化推广，经历了二十余年，光纤的传输损耗也降低为最初的 1% 。同样地，光子芯片的实用化与商业化势在必行。
参考文献
[1] Wang C , Li Z , Riemensberger J ,et al.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing[J].Nature, 2024, 629(8013):784-790.
[2] Meister S ,Bülent Franke, Eichler H J ,et al.Photonic Integrated Circuits for Optical Communication[J].Optik & Photonik, 2012, 7(2):59-62.
[3]S.O.Kasap.光电子学与光子学[专著] : 原理与实践 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].电子工业出版社,2016.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨海里的咸鱼 中国科学院长春光机所光学硕士
监制丨中国科普博览
责编丨何通
审校丨徐来、林林
被炒疯了的“光芯片”究竟是个啥？
前段时间，有狐友让我们聊聊最近被热炒的“光芯片”。
今天，老狐就给大家安排上！
这几年，资本市场流行着一话：你相信“光”吗?
2、3 年前，这个答案是“光伏”，2023 年，答案变成了“光模块”。
所以，要想搞清楚为什么最近“光芯片”被热炒，我们得先搞清楚“光模块”。
首先，光模块的工作原理如下图：
*光模块工作原理图
光模块的的发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号，完成信息传递。
外形大概就是长下面这样，有点像个“U”盘。
*图源知乎弱电笔记
而最近光模块、光芯片之所以火，主要是其在资本市场表现太抢眼。
很多光模块概念的股票，在最近几个月涨了几倍。
从资本市场的角度看，近几年光模块行业有两个高潮：
第一个是，国内 5G 网络的建设高峰。
约在 2019-2020 年，随着国内 5G 牌照发放，三大运营商大力筹建 5G 网络。
由于其开支主要聚焦于无线网和承载网，所以对前传、中回传光模块的需求量非常高。
由于当时对 5G 网络大范围渲染，资本市场也很看好 5G 发展，刺激一波年度级别的光模块概念行情。
但在 2020 年下半年开始，5G 网络建设减速、商业推广受阻等综合影响，光模块概念也随之下行，出现近 2 年半的低迷。
不过，光模块在电信通信的应用只占一部分，更大的应用是在数据通讯领域。
第二个是，ChatGPT 引爆的 AI 新时代。
去年底，OpenAI 公布了一个全新对话式 AI 模型 ChatGPT。由于其很高的创造性，很快就出圈，并且愈演愈烈。
年初时，各种消息逐渐传入国内。
特别在微软推出新版 Bing 搜索引擎、百度宣布将推出“文心一言”等消息后，相关话题在各大流量平台爆发。
我们此前也聊过不少该类话题， 在这里就不再赘述了。
总之，全球的大厂都正在进行 AI 大模型的“军备竞赛”。
但大模型竞赛背后，其实就是算力的比拼。
以 OpenAI 团队举例，他们训练 GPT3 模型用了一万张英伟达 A100 显卡。
训练 GPT4 乃至更高级的模型则需要更多算力，据说 OpenAI 已经配备了 3 万张以上的 A100 显卡。
业内认为，一万张显卡几乎就是一个大模型的门槛，国内大厂几乎都部署了两三万张显卡。
比如，一个 SuperPOD 架构（英伟达AI基础架构解决方案）需要 140 台 AI 服务器；1120 张 A100GPU；186 台交换机与 5760-8000 个光模块。
所以，一句话总结，算力需求正在指数级爆发，给光模块带来庞大的新增量。
因此，在二级市场上，光模块概念在今年 3 月份开始明显上扬，走出一波远超 5G 的急速行情。
*光模块概念股票中际旭创走势
不过，股票虽然水涨船高，但是光模块并不是什么高科技的东西。
光模块说白了，就是买来内核零部件和其他配件，比如光芯片，再通过工艺组装起来，实现完整功能。
好，终于聊到光芯片了。
光芯片，一般指光子芯片。
采用光波 （电磁波）来作为信息传输或数据运算的载体，一般依托于集成光学或硅基光电子学中介质光波导来传输导模光信号，将光信号和电信号的调制、传输、解调等集成在同一块衬底或芯片上。
看似很复杂，老狐用一句话解释：
光芯片是实现光电信号转换的基础元器件 ，其性能决定了光通信系统的传输效率。
再举一个现实的例子大家就好理解了，我们的电脑若要连接网络，就需要安装光纤和“光猫”，而这其中就就要使用光芯片。
光芯片成本约占光模块总成本的 10-30%。
当前，国内厂商仅能对中低端光芯片实现国产化，如 2.5G 和 10G 光芯片，已经广泛运用于移动通信和数据中心市场。
虽然光芯片现在炒得很火热，包括光通信、光计算、光量子等，应用也广泛分布在工业、消费、汽车、医疗等领域。
但，它目前主要的应用场景仍然是光通信，也是其最核心的应用领域。
*光芯片在光通信系统中应用位置
不知道老狐有没有讲清楚。
虽然光芯片，我们目前还只能生产低端的，不过光模块我们现在处于领先地位。
因为，与光芯片制造不同，光模块虽然有技术学习周期，但整体还是拼成本、拼响应速度，迭代周期非常短，每 3-5 年迭代一次。
比如，2010 年开始试用 40G 新产品；
2016 年数据中心已逐渐用上 100G；
2022 年的市场主流产品是 200G、400G 光模块；
2023 年的主角已经突破到 800G 光模块。
灵活制造、快速反应恰恰是中国企业的优势，于是我们看到，2010 年时全球十大光模块厂商基本是以海外公司为主，而十年过去后，我国企业已几乎霸榜。
根据 2022 年全球光模块 TOP10 榜单显示，中国光模块厂商一共 7 家入围，海外仅剩 3 家在榜单上。
其中，旭创科技（排名并列第 1）、华为（排名第 4）、光迅科技（排名第 5）、海信宽带（排名第 6）、新易盛（排名第 7）、华工正源（排名第8）、索尔思光电（排名第 10，华西股份于 2020 年成为其控股股东）。
要注意，中国光模块公司能打入这份榜单，北美的大厂订单发挥重要力量。
正因为国外大厂正在进行激烈的大模型竞争，对光模块是刚需，贸然更换供应商会拖慢项目进程。
所以行业也普遍认为，如果美国对光模块制裁是伤敌一千自损八百的行为，短期对该行业进行制裁的可能性较低。
但是，我们需要注意到的是，虽然当前我国在光模块领域处于全球领先地位，但在光模块核心零部件光芯片领域却依赖进口。
数据显示，我国 2.5Gb/s 光通信芯片国产化率接近 50%，但 10Gb/s 及以上的光通信芯片国产化率却不超过 5%，非常依赖 Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。
随着 AI 产业的爆发，属于光芯片的时代已经到来，但要想在光通信产业链完成全部国产化，老狐认为仍有一段很长的路要走。
*本文不构成任何投资建议。
参考资料：
国联证券：光芯片行业研究：国产光芯片进入高端市场，开启广阔增长空间
天风通信：《英伟达DGX-GH200对800G光模块影响的客观点评：光模块仍是AI算力当中最闪亮的“星”》
中信证券：通信运营商行业研究：战略聚焦，云计算迎来高速增长与价值重估
知乎：弱电笔记
编辑： 蜗牛
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