硅光子芯片将成为数据中心发展的关键
半导体产业纵横编译来源：techmonitor本周，牛津大学的科学家称芯片设计取得了突破，当时他们推出了一种硅光子芯片，据说比传统的电子半导体芯片快300倍。它展示了光子学在数据中心等环境中提供更高性能和更高能效的潜力，特别是在达到传统芯片技术极限的情况下。
光子芯片是如何工作的？牛津大学团队开发的芯片利用了这样一个事实，即不同的光偏振或波不会相互作用。研究人员能够使用纳米技术在单个芯片上包含几种不同的极化，这意味着它可以并行处理大量数据而不会受到干扰。
光子芯片有很****展潜力，它使用光而不是传统的电子电路来传输信息。“我们都知道，光子相对于电子的优势在于光在大带宽上更快，功能更强大，”牛津大学材料系的June Sang Lee说，他是《科学进展》杂志上一篇论文的第一作者，该论文详细介绍了这项工作。“因此，我们的目标是充分利用光子学与可调材料相结合的优势，以实现更快，更密集的信息处理。虽然该论文的作者承认他们的工作还处于早期阶段，但光子芯片在市场上的实际应用数量正在增加，特别是随着企业寻找处理大型复杂人工智能（AI）工作负载的方法。
是什么推动着硅光子芯片发展？目前，在芯片设计中部署光子学的最常见方法是硅光子学，它将光子架构与单个芯片中的传统电路配对。Gartner表示，2020年硅光子市场价值5.16亿美元，预计到2025年将增长到26亿美元。Gartner的首席分析师Anushree Verma表示，有三个因素推动了这一增长。她说，首先是“对人工智能和机器学习工作负载的兴趣增加，这需要更快的网络。因此，我们需要更快的互连和越来越高的带宽，“这可以通过集成光子学来提供。
Verma说，其它因素与芯片生产有关，采用异构集成技术，允许光子和电子电路结合在一起，由主要晶圆代工厂开发。
去年，台积电（TSMC）推出了COUPE，这是一个将光子学集成到芯片中的平台，预计数据中心对该技术的需求将激增。今年3月，GlobalFoundries推出了自己的硅光子学平台GF Fotonix，而英特尔在2月份宣布以54亿美元收购Tower Semiconductor，使其能够进入Tower在加利福尼亚州的硅光子芯片代工厂。
“我们已经在代工厂方面看到，现在可以进行异构集成，从而实现小芯片和不同设计的集成，”Verma说。“最终的驱动因素是电子光子设计自动化工具的更广泛可用性，这使得公司更容易设计光子集成电路。Verma说，光学元件的成本也在下降，这有助于商用。
光子学与摩尔定律芯片制造商需要在性能方面取得突破。摩尔定律认为，制造商可以集成在单个硅芯片上的晶体管数量每年翻一番，这意味着代工厂正在寻求新技术。Tech Monitor此前曾报道过GaN等新材料在半导体中的潜力，部署光子学被视为另一个潜在的答案。Vaysh Kewada是Salience Labs的首席执行官，Salience Labs是一家英国初创公司，开发一种硅光子芯片来为AI工作负载提供支持。该公司从牛津大学和明斯特大学分拆出来，最近筹集了1150万美元，用于资助其技术的开发。“1970年代和1980年代的一些论文中，教授们都在思考光学处理器，”Kewada解释说。“但在过去的5到7年里，硅光子学作为一种制造工艺已经走过了漫长的道路。现在可以去用标准技术在代工厂制造光子芯片。
掌握该技术的公司可以从重大的性能提升中受益。“光子真的很快，因为光传播得很快，”Kewada说。“因此，您可以在芯片上以高达100GHz的频率记录光。在过去几年中，标准处理器的时钟速度一直保持在几千兆赫兹。
Salience声称其方法允许在单个芯片中进行并行处理，这意味着数据中心运营商也有可能节省能源效率。Kewada说。“我们可以在一个芯片上使用不同波长的光来做到这一点，这意味着我们可以在给定的功率包络下提供更高的吞吐量。
该公司并非唯一一家引起业界关注的光子芯片生产商。根据Pitchbook的数据，硅光子芯片初创企业在2020年筹集了7.5亿美元，4月份，美国公司Ayar Labs从包括英伟达在内的投资者那里筹集了1.3亿美元。
除了数据中心，光子技术还被用来为超级计算机和量子计算机提供动力。英国量子公司ORCA最近向英国政府提供了第一台量子计算机，是全球众多使用光子技术创建和稳定量子比特的企业之一，量子比特为量子机器提供动力。该技术还作为自动驾驶汽车中使用的激光雷达系统的一部分以及传感器等设备进行部署。
光子芯片的未来Gartner的Verma说，硅光子芯片的价格仍然很高，阻碍了商用拓展。虽然制造业变得更加简单，但她认为，围绕该技术的生态系统仍处于“萌芽阶段”。“当你将光子芯片添加到系统中时，测试结果会变得混乱，”她解释说。“因此，它与普通芯片不同，该过程需要标准化，这正是代工厂和供应商正在努力做的事情。目前，像这样的工艺必须是定制的，在它们被标准化和标准库建立之前，光子芯片将始终是昂贵的。
但是，广阔的市场空间可以确保生态系统的发展和价格的降低，PhotonDelta的Jorn Smetets说，PhotonDelta是一家总部位于荷兰的非营利组织，旨在促进荷兰和整个欧洲光子芯片生态系统的发展。
PhotonDelta最近获得了11亿欧元的公共和私人资金，以支持光子芯片公司，并与麻省理工学院合作制定了光子芯片发展路线图。Smeets说，对硅光子学以及其它光子生产方法（如磷化铟）的兴趣从未如此之高。
他说。“我们在私募股权中看到****开始步调一致，并为该领域的公司提供资金。像Meta，Google和Microsoft这样的企业都在参与我们与麻省理工学院共同制定的路线图，以及我们在荷兰所做的标准工作，他们都非常热衷，因为他们可以潜在地降低数据中心的能耗，这对这些企业来说是一个巨大的成本。
“光子芯片永远不会取代电子电路，”Smeets补充道。“但对于这些特定的应用和市场，它可以提供电子产品无法实现的功能。我们设想了一个未来，在单个芯片上有多个组件，其中之一将是光子电路。”
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