芯片，又叫作集成電路，在指甲蓋大小的空間中，能夠包含數十億的電子元件，形成了極其復雜的電路結構。芯片被用於數據的處理、儲存、控制、通訊和感知等各個方面，電腦、手機、汽車等器材都依賴芯片來處理數據，執行演算法和執行軟件程式。面對各種各樣的需求，人們制造出了數十萬種芯片。
近期，由中國科學院上海微系統與資訊科技研究所（上海微系統所）、瑞士洛桑聯邦理工學院組成的合作團隊在國際上另辟蹊徑，在高效能光子芯片制備領域取得了突破性進展，研發了可批次制造的新型光子芯片，相關成果及論文發表在了著名國際期刊【自然】上。
微芯片示意。版權圖庫圖片，轉載使用可能引發版權糾紛
眾多芯片中，光芯片大不一樣
芯片依賴電子在集成電路中的執行來實作各種復雜的功能，芯片內部存在非常多的導線供電子穿梭。光芯片則是利用光在整合光路中的傳輸來實作各種復雜的功能，光芯片主要由發光器件（產生光），光導波（引導光傳播的裝置）組成。
光芯片結構示意，條紋結構為光導波組成的光芯片單元。圖片來源：VLC Photonics
光導波是光在從一種介質傳播到另一種介質時偶爾會發生的全反射現象。比如，當光從水傳播到空氣時，只要光與介質分界面所成角度到達特定範圍，就會發生全反射現象，利用該現象能夠制成引導光波前進的結構就叫作光導波。
光線在玻璃當中不斷全反射。圖片來源：wikipedia
現有芯片的種類和功能已經很完善了，為什麽還要用光子芯片來替代傳統芯片呢？這是因為芯片的效能已經無法滿足人們在高速通訊和人工智能方面的需求。
光子芯片的特點
與傳統芯片對比，光子芯片如同光纖通訊路線對比傳統的通訊電纜。 光纖能夠傳輸更多的數據量，一根光纖所傳輸的數據量相當於數十根傳統訊號電纜。
光纖傳輸中的光訊號能夠在長距離傳輸時保持較高的質素，相比之下訊號電纜需要消耗更多的能量，且訊號質素也會下降。光子芯片在傳輸速度，能耗方面相比於傳統的芯片也有很大的優勢。
1
速度快
光的傳播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能夠傳播 299792.458 千。相比之下，電訊號在電路中的傳輸速度大約是光速的三分之二到四分之三，隨著電路溫度的升高，速度還會下降。
中國網民使用者數目多達 10.92 億，互聯網產生了各種軟件，使用這些軟件所產生的數據量是巨大的。海量數據被上傳至軟件公司建立的數據中心進行處理，數據中心由眾多高效能電腦（又叫伺服器）組成，伺服器之間需要快速交換大量數據。
把伺服器比作水缸，水缸間需要通訊芯片作為「水管」，將水缸連線在一起，如果水管太細（通訊芯片速度無法滿足需求），那麽水缸的水就無法及時流入或排出，個別水缸水溢位時，也就發生了伺服器崩潰（軟件沒法用了）。光芯片的出現，能夠使得伺服器之間以及數據中心與外界進行快速的數據交換。
光通訊芯片及其結構顯微圖。圖片來源：參考文獻 2
2
能耗低
傳統芯片進行運算時，電子在電路中運動會產熱，高效能運算芯片的耗電量非常高，目前是制約芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，效能只能提高十倍，大部份的能量都被用於驅動散熱部件。為了散熱，有的公司甚至將他們的數據中心建在了海底，利於海水冷卻電子器材。
被打撈出來檢修的水下數據中心。圖片來源：microsoft
當前，訓練人工智能大模型也面臨著芯片效能和電力消耗的制約，為了解決這一問題，當前有兩種思路。 一是光芯片與傳統芯片的混合整合，傳統芯片作為單個的計算單元，光芯片負責計算單元之間的高速通訊橋梁，建立集群運算，有效提高運算速度，同時功耗的增加也在可接受範圍內。二是設計制造光計算芯片，突破傳統的微電子處理器芯片效能瓶頸。
結語
總而言之，光芯片作為繼傳統微電子芯片後，資訊科技的又一重要支撐， 光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都極具潛力。
從華人科學家、光纖之父高錕在 1966 年提出光纖用於長距離通訊的理念，到 1970 年代末光纖開始商業化推廣，經歷了二十余年，光纖的傳輸損耗也降低為最初的 1% 。同樣地，光子芯片的實用化與商業化勢在必行。
參考文獻
[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.光電子學與光子學[專著] : 原理與實踐 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].電子工業出版社,2016.
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨海裏的鹹魚 中國科學院長春光機所光學碩士
監制丨中國科普博覽
責編丨何通
審校丨徐來、林林
