然而，由于芯片制造成本和復雜性的增加，以及物理定律所設定的性能限制，這一趨勢正逐漸減弱。與此同時，AI的快速發展也帶來了對更高計算能力的需求。光子計算利用光(光子)而非電(電子)來傳輸和處理信息，有望實現更高的速度、更大的帶寬和更高的效率。

　　擺脫傳統局限的光子芯片在AI時代下發光

　　在處理更為復雜的計算任務時，尤其是涉及超過5000億個參數的大型模型時，我們面臨重大挑戰——系統的性能越來越受到計算節點間通信的影響，而非計算本身。

　　傳統的電子輸入/輸出(I/O)解決方案難以滿足芯片間及跨系統數據傳輸日益增長的需求。

　　隨著計算能力的提升，電子信號的局限性愈發明顯，導致功耗增加、熱管理問題，最終限制了系統性能。

　　電子芯片以硅為基礎，當制程降至7納米以下時，便容易出現電涌和電子擊穿等問題，導致難以控制。

　　光芯片則提供了新的解決方法，不僅能夠克服功耗和訪存能力的瓶頸，還能催生許多前所未有的應用場景。

　　光子芯片的出現，被視為一種革命性的解決方案，旨在通過光學而非電子方式進行數據傳輸和處理，以實現數據中心性能的大幅提升和能效的顯著優化。

　　傳統半導體技術在AI領域的局限性，以及數據中心和智能邊緣中高性能AI與ML應用的需求，推動了對速度更快、可擴展性更強的芯片的追求。

　　在數據中心，龐大的訓練數據集、大型語言模型(LLM)以及深度強化學習(DRL)已經觸及了計算能力和內存帶寬的極限。

　　在邊緣計算領域，高級駕駛輔助系統(ADAS)、可穿戴設備、醫療設備以及工業4.0基礎設施對芯片的需求日益復雜化，以實現在更低功耗下的快速實時推理。

　　利用光子芯片釋放效率與可擴展性，基于光的光子芯片能夠為更高效、更可持續的GenAI、DRL和AGI工作負載提供互補且切實可行的解決方案。

　　光芯片的應用場景獲得了極大的拓展

　　光子芯片簡單而言，是利用光信號進行數據獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。

　　光子芯片在當下時代備受追捧，主要得益于其兩方面的優勢：

　　一是性能優勢，包括高計算速度、低功耗、低時延;

　　其二則是制造優勢，制程要求相對較低。

　　具體而言，由于光的傳播速度極快且具有高帶寬的特點，它能夠在更短時間內傳輸更大規模的數據。

　　此外，光信號幾乎不產生電阻熱損耗，能效比傳統電信號高。

　　部分數據顯示，光子芯片的計算速度大概是電子芯片的三個數量級，約1000倍。

　　而光子芯片的功耗僅為電子芯片的百分之一，單位電子芯片和耗電量大約為300W，對應的光子芯片的耗電量只有4W。

　　光芯片不僅能在計算領域大顯身手，主要應用于光通信、數據中心、超高速互聯網、光子計算、量子計算和傳感器等領域，也在其他領域展現其應用前景。

　　例如，抗干擾性能強的光子技術使得光子雷達的研發成為可能，自動駕駛、圖像識別、虛擬現實、數云平臺等領域，光芯片也已被大量采用。

　　在生命健康、超導材料以及國防裝備等方面，光芯片可實現更高效的數據處理和分析，將形成神經光子學、免疫分析、高超音速武器等新的重大應用場景。

　　在材料選擇方面，光芯片的材料選擇至關重要，不同于電芯片主要使用硅(Silicon)，光芯片需要使用適合光傳輸和調制的材料。

　　光子技術構成橫向擴展架構的核心

　　光纖鏈路的運用，促進了跨越機架與行的交換機之間的連接，從而實現了網絡規模的擴展。

　　盡管橫向擴展網絡已普遍采用光學技術，但網絡的縱向擴展向光子學的轉變仍在進行中，尚未完全實現。

　　目前，可插拔光纖收發器能夠在數十米范圍內實現網卡與交換機間的數據傳輸。

　　然而，隨著數據傳輸速率的提升，這些解決方案正面臨日益增長的功耗和性能瓶頸。

　　為了適應大規模語言模型(LLM)的增長和吞吐量需求，橫向擴展網絡的數據傳輸速率持續提升，導致網絡功率已超過加速器機架的功率。

　　英偉達指出，將可插拔光模塊轉變為CPO可顯著降低1.6Tbps鏈路的光模塊功率，從30瓦特降至9瓦特。

　　英偉達在GTC25上推出了首款搭載CPO的橫向擴展交換機。

　　其節能特性使得GPU密度得以提升——在相同的數據中心功率范圍內，GPU數量最多可增加3倍。

　　目前，縱向擴展互連主要依賴銅線。英偉達的Blackwell架構采用全銅解決方案NVLink72，其廣泛的布線貫穿了主板、交換機和機架背板。

　　隨著信號頻率的提高，銅線束可以直接連接到GPU，從而繞過傳統的PCB走線。

　　新的統一接口需要兼顧兩者的優勢——合并后的規范應超越它們所取代的傳統接口。

　　預計在未來幾年內，規模化網絡將開始向CPO過渡，并預計在2030年代大規模替換可插拔式光模塊。

　　到2030年，CPO市場規模預計將從目前的零增長至50億美元。

　　博通、Marvell、Ayar Labs、Celestial AI和Lightmatter等早期參與者，以及Coherent等激光器供應商，都將從這一趨勢中受益。

　　結尾：在光子芯片領域國內多個城市展現出潛力

　　近年來，隨著AI的迅猛發展，光芯片在通信、AI、數據中心等多個領域展現出巨大的發展潛力。

　　預計到2025年，全球光電子產業市場規模有望突破2000億美元，其中光芯片的需求量預計將占據相當大的份額。

　　在龐大的市場需求驅動下，廣東、江蘇、陜西等國內多個地區正積極進軍光芯片領域。

　　《光子時代：光子產業發展白皮書》顯示，西安光子產業集群已初具規模，形成了光子制造、光子信息、光子傳感等產業集群，在特定關鍵核心技術方面具有顯著的領先優勢。

　　超過200家光子技術企業聚集在西安，孕育并孵化了炬光科技、萊特光電、中科微精、奇芯光電等一批國內領先的光子技術企業。

　　武漢是我國較早進行光電子產業基地規劃和布局的城市，是我國光子產業的領跑者和產業高地。

　　武漢以[中國光谷]建設為引領，加速光子產業布局，光子產業主體總量突破19.1萬戶，建成了全球最大的光纖光纜產業基地，光器件研發生產全國第一。

　　蘇州被譽為[中國光電纜之都]，形成了國內最完整的光通信產業鏈和最具影響力的產業集群，在國內外樹立了蘇州光通信的整體區域品牌。

　　蘇州將光子產業定位為全市[1號產業工程]，推出[高光20條]政策。

　　其中，光子領域國家級高成長企業數量達到142家，形成了完善的企業梯次發展體系。

　　去年九月，我國首個光子芯片中試線在無錫正式啟用。

　　此舉標志著我國光子芯片產業正式邁入產業化快速發展的軌道，將打破傳統計算模式的局限，為大規模智能計算開辟新的可能性。

　　該中試平臺總面積達1.7萬平方米，集科研、生產、服務功能于一體，實現了從薄膜鈮酸鋰光子芯片的光刻、薄膜沉積、刻蝕、濕法處理、切割、量測到封裝的全流程閉環生產。

　　中試線啟用后，預計年產能將達到10000片晶圓，預計至2025年第一季度將正式對外提供流片服務。

　　近期，國產高端光芯片外延片在蘇州實現量產。芯辰半導體宣布，其外延設備已投入生產，覆蓋了砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)光芯片四元化合物的全材料體系。

　　芯辰半導體目前已實現波長范圍在760 nm至1700nm的外延片量產，外延片的均勻性控制在激射中心波長外2nm以內。