硅光子芯片將成為數據中心發展的關鍵
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半導體產業縱橫編譯來源：techmonitor本周，牛津大學的科學家稱芯片設計取得了突破，當時他們推出了一種硅光子芯片，據說比傳統的電子半導體芯片快300倍。它展示了光子學在數據中心等環境中提供更高性能和更高能效的潛力，特別是在達到傳統芯片技術極限的情況下。
光子芯片是如何工作的？牛津大學團隊開發的芯片利用了這樣一個事實，即不同的光偏振或波不會相互作用。研究人員能夠使用納米技術在單個芯片上包含幾種不同的極化，這意味著它可以并行處理大量數據而不會受到干擾。
光子芯片有很****展潛力，它使用光而不是傳統的電子電路來傳輸信息。“我們都知道，光子相對于電子的優勢在于光在大帶寬上更快，功能更強大，”牛津大學材料系的June Sang Lee說，他是《科學進展》雜志上一篇論文的第一作者，該論文詳細介紹了這項工作。“因此，我們的目標是充分利用光子學與可調材料相結合的優勢，以實現更快，更密集的信息處理。雖然該論文的作者承認他們的工作還處于早期階段，但光子芯片在市場上的實際應用數量正在增加，特別是隨著企業尋找處理大型復雜人工智能（AI）工作負載的方法。
是什么推動著硅光子芯片發展？目前，在芯片設計中部署光子學的最常見方法是硅光子學，它將光子架構與單個芯片中的傳統電路配對。Gartner表示，2020年硅光子市場價值5.16億美元，預計到2025年將增長到26億美元。Gartner的首席分析師Anushree Verma表示，有三個因素推動了這一增長。她說，首先是“對人工智能和機器學習工作負載的興趣增加，這需要更快的網絡。因此，我們需要更快的互連和越來越高的帶寬，“這可以通過集成光子學來提供。
Verma說，其它因素與芯片生產有關，采用異構集成技術，允許光子和電子電路結合在一起，由主要晶圓代工廠開發。
去年，臺積電（TSMC）推出了COUPE，這是一個將光子學集成到芯片中的平臺，預計數據中心對該技術的需求將激增。今年3月，GlobalFoundries推出了自己的硅光子學平臺GF Fotonix，而英特爾在2月份宣布以54億美元收購Tower Semiconductor，使其能夠進入Tower在加利福尼亞州的硅光子芯片代工廠。
“我們已經在代工廠方面看到，現在可以進行異構集成，從而實現小芯片和不同設計的集成，”Verma說。“最終的驅動因素是電子光子設計自動化工具的更廣泛可用性，這使得公司更容易設計光子集成電路。Verma說，光學元件的成本也在下降，這有助于商用。
光子學與摩爾定律芯片制造商需要在性能方面取得突破。摩爾定律認為，制造商可以集成在單個硅芯片上的晶體管數量每年翻一番，這意味著代工廠正在尋求新技術。Tech Monitor此前曾報道過GaN等新材料在半導體中的潛力，部署光子學被視為另一個潛在的答案。Vaysh Kewada是Salience Labs的首席執行官，Salience Labs是一家英國初創公司，開發一種硅光子芯片來為AI工作負載提供支持。該公司從牛津大學和明斯特大學分拆出來，最近籌集了1150萬美元，用于資助其技術的開發。“1970年代和1980年代的一些論文中，教授們都在思考光學處理器，”Kewada解釋說。“但在過去的5到7年里，硅光子學作為一種制造工藝已經走過了漫長的道路。現在可以去用標準技術在代工廠制造光子芯片。
掌握該技術的公司可以從重大的性能提升中受益。“光子真的很快，因為光傳播得很快，”Kewada說。“因此，您可以在芯片上以高達100GHz的頻率記錄光。在過去幾年中，標準處理器的時鐘速度一直保持在幾千兆赫茲。
Salience聲稱其方法允許在單個芯片中進行并行處理，這意味著數據中心運營商也有可能節省能源效率。Kewada說。“我們可以在一個芯片上使用不同波長的光來做到這一點，這意味著我們可以在給定的功率包絡下提供更高的吞吐量。
該公司并非唯一一家引起業界關注的光子芯片生產商。根據Pitchbook的數據，硅光子芯片初創企業在2020年籌集了7.5億美元，4月份，美國公司Ayar Labs從包括英偉達在內的投資者那里籌集了1.3億美元。
除了數據中心，光子技術還被用來為超級計算機和量子計算機提供動力。英國量子公司ORCA最近向英國政府提供了第一臺量子計算機，是全球眾多使用光子技術創建和穩定量子比特的企業之一，量子比特為量子機器提供動力。該技術還作為自動駕駛汽車中使用的激光雷達系統的一部分以及傳感器等設備進行部署。
光子芯片的未來Gartner的Verma說，硅光子芯片的價格仍然很高，阻礙了商用拓展。雖然制造業變得更加簡單，但她認為，圍繞該技術的生態系統仍處于“萌芽階段”。“當你將光子芯片添加到系統中時，測試結果會變得混亂，”她解釋說。“因此，它與普通芯片不同，該過程需要標準化，這正是代工廠和供應商正在努力做的事情。目前，像這樣的工藝必須是定制的，在它們被標準化和標準庫建立之前，光子芯片將始終是昂貴的。
但是，廣闊的市場空間可以確保生態系統的發展和價格的降低，PhotonDelta的Jorn Smetets說，PhotonDelta是一家總部位于荷蘭的非營利組織，旨在促進荷蘭和整個歐洲光子芯片生態系統的發展。
PhotonDelta最近獲得了11億歐元的公共和私人資金，以支持光子芯片公司，并與麻省理工學院合作制定了光子芯片發展路線圖。Smeets說，對硅光子學以及其它光子生產方法（如磷化銦）的興趣從未如此之高。
他說。“我們在私募股權中看到****開始步調一致，并為該領域的公司提供資金。像Meta，Google和Microsoft這樣的企業都在參與我們與麻省理工學院共同制定的路線圖，以及我們在荷蘭所做的標準工作，他們都非常熱衷，因為他們可以潛在地降低數據中心的能耗，這對這些企業來說是一個巨大的成本。
“光子芯片永遠不會取代電子電路，”Smeets補充道。“但對于這些特定的應用和市場，它可以提供電子產品無法實現的功能。我們設想了一個未來，在單個芯片上有多個組件，其中之一將是光子電路。”
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