牛津大学的科学家本周宣布在芯片设计方面取得突破，他们推出了一种基于光的光子芯片，据称其速度是传统电子半导体的 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的极限时。牛津团队开发的芯片利用了光的不同偏振或波不相互作用的事实。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。

光子芯片的潜力——它使用光而不是传统的电子电路来传输信息——早已得到认可。“我们都知道，光子学相对于电子学的优势在于，光在大带宽上速度更快，功能更强大，”牛津大学材料系的 June Sang Lee 表示。因此，研发的目标是充分利用光子学与可调谐材料相结合的这些优势，实现更快、更密集的信息处理。”

研究人员承认他们的工作还处于早期阶段，但市场上光子半导体的实际应用数量正在增加，特别是企业正在寻找处理大型复杂人工智能 (AI) 工作负载的方法。

是什么推动了硅光子芯片应用的增长？

Gartner 的首席分析师 Anushree Verma 表示，推动这一增长的三个因素。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。所以我们需要更快地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，其他因素与芯片生产有关，主要代工厂正在开发异构集成技术，这种技术允许光子和电子电路结合起来。

去年，全球领先的芯片生产公司台积电推出了 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旺盛。3 月，另一家生产商 GlobalFoundries推出了自己的硅光子平台 GF Fotonix，而英特尔在 2 月宣布以 54 亿美元收购 Tower Semiconductor，使其能够进入 Tower 在加利福尼亚的硅光子代工厂。

“我们在代工厂方面看到现在可以使用异构集成，这可以实现小芯片和不同设计的集成，”Verma 说。“最终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，这有助于采用。

光子学可以帮助打破摩尔定律

芯片制造商需要在性能上取得突破。摩尔定律即将结束，即制造商可以在单个硅芯片上安装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。

Vaysh Kewada 是英国初创公司 Salience Labs 的首席执行官，该公司正在开发一种硅光子芯片来为 AI 工作负载提供动力。光传播速度快，因此，在芯片上以高达 100GHz 的频率为光计时。在过去的几年里，标准处理器一直锁定在几千兆赫的时钟速度上，因此这本身就非常重要。

除了数据中心，光子技术还被用于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其第一台量子计算机，它是全球众多使用光子技术来创建和稳定为量子机器提供动力的量子比特的企业之一。该技术还被部署为用于自动驾驶汽车的激光雷达系统以及传感器等设备的一部分。

光子芯片的未来

Gartner 的 Verma 表示，硅光子芯片的价格仍然很高。尽管制造越来越简单，但她认为围绕该技术的生态系统仍处于“新生阶段”。

“将光子芯片添加到系统中时，测试结果会变得混乱，”她解释道。“因此它与普通芯片不同，该工艺需要标准化，这是代工厂和供应商正在尝试做的事情。目前，像这样的流程必须定制，在它们标准化并建立标准库之前，光子芯片价格一直高昂。”

但是，来自半导体行业以外的广泛关注可能会确保生态系统发展和降价，位于荷兰的非营利组织 PhotonDelta 的 Jorn Smeets 说，该组织旨在促进荷兰光子芯片生态系统的发展遍及欧洲。

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光子半导体开发路线图。Smeets 表示，人们对硅光子学以及其他光子生产方法（如磷化铟和氮化硅）的兴趣从未如此高涨。

“我们肯定看到了人们对这项技术感兴趣的趋势，”他说。“这不仅来自半导体制造商，而且我们在私募股权中看到银行开始步入这一领域并为公司提供资金。Meta、Google 和 Microsoft 等企业都参与了我们与 MIT 制定的路线图以及我们在荷兰开展的标准工作，他们都非常热衷，因为它们可以潜在地降低其数据中心的能源消耗，即对这些人来说是一笔巨大的代价。”

Smeets 补充说，光子学“永远不会取代电子电路”。“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。我们设想在一个芯片上拥有多个组件的未来，其中之一将是光子电路。”