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芯片是一個(gè)既熟悉又生疏的話(huà)題。我們每個(gè)人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特別是最近，除了科研院所，政府機關(guān)，資本市場(chǎng)在認真對待以外，在商店里，火車(chē)上，豬肉店，水泥廠(chǎng)也有人在討論芯片，有的還打算去創(chuàng )業(yè)造芯片。然而，絕大多數人都沒(méi)有真正見(jiàn)過(guò)芯片長(cháng)什么樣，更不用說(shuō)了解它們的工作原理并區分不同的芯片了。
大約在60多年前，人們就開(kāi)始在硅片上進(jìn)行芯片加工了。當時(shí)的芯片非常簡(jiǎn)單，有的只有一個(gè)晶體管，但是已經(jīng)展現出在尺寸、能耗、和價(jià)格方面超越電子管的巨大優(yōu)勢。那個(gè)時(shí)代叫晶體管時(shí)代。
然后到了大家熟悉的集成電路時(shí)代，經(jīng)過(guò)光電子時(shí)代，又到了現在這個(gè)大家生疏的硅基光電子時(shí)代。這些不同的時(shí)代實(shí)際上是借助了半導體芯片的發(fā)展而實(shí)現更迭的。
正如人體心臟的主要功能是推動(dòng)血液流動(dòng)，向其他器官、組織提供充足的血流量，以維持它們正常的代謝和功能一樣，在今天的信息社會(huì )里，半導體芯片擔負著(zhù)處理信息，并且向各行各業(yè)各個(gè)角落傳遞信息的功能。芯片功能的強弱決定了信息社會(huì )的強弱。缺乏核心芯片引起的“芯”痛則可能導致信息社會(huì )停滯，甚至消亡。
要想真正地了解芯片，第一步就是把下面的四個(gè)基本概念弄清楚。什么是電子？什么是光子？什么是光譜？什么是半導體？這些名詞聽(tīng)起來(lái)好像非常的玄，但實(shí)際上非常好理解。
電子和光子都是構成物質(zhì)的基本粒子。大量電子形成的電流，通過(guò)金屬導線(xiàn)傳輸；大量光子形成光束通過(guò)光波導傳播。不同的是，電子和電子之間可以相互作用：兩束電流相交將形成短路，合為一體；光子之間的相互作用就不那么容易了：兩束光相交叉以后，仍然各走各的路。
光譜是光子的特征，表達光子的不同頻率分布?？梢苑謩e攜帶不同的信息。因此，在一根電線(xiàn)里只可以傳輸一路信號；而在一根光波導里則可以同時(shí)傳輸許多路不同的信號，使通信容量和速度大大地增加。
半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見(jiàn)的半導體有硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等，硅是各種半導體中，在商業(yè)應用上最為成功的一種。
在半導體晶體中，人為地摻入特定的雜質(zhì)元素，使其導電性能可控，這一特性使半導體成為制造電子芯片的最佳材料。
半導體中電子和光子擁有強烈的相互作用：加電可以發(fā)光；光照可以發(fā)電。它們是光電子芯片的基礎。
迄今為止，四種不同的芯片都是在半導體材料上發(fā)展起來(lái)的，也可以被叫做半導體芯片。它們是依賴(lài)電子、光子、或者光電相互作用，決定了它們的特征和用途。
自從1897年湯姆森證實(shí)電子的存在以來(lái), 電子經(jīng)歷了電真空時(shí)代（1905），晶體管時(shí)代（1947），來(lái)到了集成電路（1958）時(shí)代。所謂的集成電路也就是電子芯片的一種，就是我們大家每天都聽(tīng)說(shuō)的，每天都在用的IC芯片。集成電路主要以硅為材料，它的一個(gè)重要特征就是僅僅只利用電子來(lái)作為信息載體。
借助于摩爾定律的推動(dòng)以及芯片公司和儀器設備公司的努力，電子產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)成為了全球經(jīng)濟不可分割的一部分。
光子這個(gè)名稱(chēng)是在1927年才被人們所認可。經(jīng)歷了空間光學(xué)時(shí)代和集成光學(xué)時(shí)代，專(zhuān)家學(xué)者們在30多年以后，借用了電子學(xué)發(fā)展的路徑，利用類(lèi)似的技術(shù)和方法，將大型的光學(xué)元器件集成到了一個(gè)小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的重要特征就是僅僅利用光子作為信息載體，不需要電子的參與。
由于光子之間的相互作用非常微弱，無(wú)法形成低成本、低能耗的功能器件，產(chǎn)業(yè)規模受限到基本上沒(méi)有。因此，目前光子芯片的研發(fā)重點(diǎn)主要聚焦在基礎研究，而不是產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
前面講到的兩個(gè)芯片，都有自己非常嚴重的局限性。比如電子芯片，由于受到電子本身在半導體內運動(dòng)速度的限制，它的主頻只有幾個(gè)GHz。而光子芯片，由于光子本身的弱相互作用，基本上也就是一個(gè)無(wú)源器件，功能非常受限。
為了解決上述問(wèn)題，人們自然而然地就想到了將光子和電子結合起來(lái)。實(shí)際上正是人們在研究光子的過(guò)程中，發(fā)現它與電子有密不可分的關(guān)系：半導體材料可以通過(guò)吸收光子而產(chǎn)生電子，也可以通過(guò)電子的湮滅而發(fā)射光子。由此開(kāi)啟了光電子學(xué)的研究，并發(fā)明了激光器和光探測器——最簡(jiǎn)單的光電子芯片。光電子芯片的時(shí)代始于上世紀70年代。為了獲得更強的光電效應，早期的光電子芯片基本上都是在砷化鎵、磷化銦材料上制作的。但是，這些材料既難于加工，也很難做成像硅單晶那么大的尺寸。因此用它來(lái)制作的光電子芯片成本很高，且由于集成度不高，功能非常單一。
光電子芯片的出現，給了通信行業(yè)，特別是光通信行業(yè)，一個(gè)高速發(fā)展的機會(huì )。由于高性能激光器、摻鉺光放大器、波分復用器的出現，通信系統不僅由電纜傳輸切換到光纖傳輸，而且從單線(xiàn)單路發(fā)展到單線(xiàn)多路，大大地提升了通信系統的傳輸速率和通量，降低了成本，使許多家庭感受到了光纖到戶(hù)的好處，為即將到來(lái)的大數據時(shí)代奠定了基礎。
通過(guò)對上述三種芯片的介紹可以發(fā)現：由于電子和光子的固有特性不一樣，他們在產(chǎn)業(yè)應用方面的發(fā)展也是完全不同的。
電子之間有強相互作用，因此形成了 “電子產(chǎn)業(yè)”；光子之間基本上沒(méi)有互動(dòng)，也就無(wú)法形成自己的產(chǎn)業(yè)。
而目前與光子相關(guān)的產(chǎn)品，除了光波導，基本上都是光電共同作用的產(chǎn)物?！肮怆姰a(chǎn)業(yè)” 也已經(jīng)廣泛進(jìn)入消費市場(chǎng)。
“光子產(chǎn)業(yè)” 只是個(gè)概念，根本無(wú)法進(jìn)入消費市場(chǎng)，除非把“光電產(chǎn)業(yè)”改名為 “光子產(chǎn)業(yè)”。
縱觀(guān)半導體芯片的發(fā)展歷史，電子芯片/集成電路、光子芯片、光電子芯片都僅僅只是其中的一個(gè)特殊階段。而半導體芯片目前的發(fā)展趨勢就是將它們有機地統一集成到硅襯底上，形成一個(gè)嶄新的 “硅基光電子芯片”。
眾所周知，指導微電子發(fā)展的 “摩爾定律” 基本失效，集成電路芯片的發(fā)展趨于飽和。在另一方面，由于大數據、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息高速公路體系中各層分支線(xiàn)路上的數據流量也大大增加。為了提高芯片的速度，美國等發(fā)達國家和地區的科學(xué)家在90年代中期就提出了光互連的概念，使 “光進(jìn)銅退” 延伸到了芯片內部。他們使用與硅基集成電路技術(shù)兼容的技術(shù)和方法，將微納米級的光子、電子、及光電子器件集成在同一硅襯底上，形成硅基光電子芯片。
說(shuō)的通俗一點(diǎn)，就是為了應對人們對數據流量需求的不斷增長(cháng)，而電子芯片無(wú)能為力的情況下，將光子加入到目前的硅基集成電路中間去，形成一個(gè)既快速又便宜的新型大規模光電集成芯片。
IBM、英特爾、臺積電、格羅方德、思科、Acacia等多家大型公司已經(jīng)對硅基光電子芯片進(jìn)行了商業(yè)化的批量生產(chǎn)，而且以硅基光電子芯片為核心的光模塊也在數據中心和通信系統中獲得了大量應用，硅基光電子產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成。
硅基光電子芯片可以在算力、能耗、成本、尺寸方面帶來(lái)極大的優(yōu)勢。人們預期，它不僅可以支撐大數據時(shí)代的通信設備、數據中心、超級計算、物聯(lián)傳感、人工智能等產(chǎn)業(yè)，更有可能在不久的將來(lái)進(jìn)入消費市場(chǎng)。
人們對電子、光子的了解，對由此產(chǎn)生的技術(shù)時(shí)代的更迭，導致了信息社會(huì )的出現及發(fā)展。而信息社會(huì )對小巧、廉價(jià)、低能耗器件和系統的偏愛(ài)催生了各種各樣的半導體芯片。
最早出現的電子芯片，或者說(shuō)，集成電路得益于硅材料和CMOS器件的完美結合，具有尺寸小，成本低，集成度高的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)是全球經(jīng)濟不可分割的一部分，也已經(jīng)成為傳統產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展速度也飽和趨緩。
光子芯片利用光子作為信息載體。由于光子之間的相互作用非常微弱，無(wú)法形成低成本、低能耗的功能器件，也就無(wú)法形成自己的產(chǎn)業(yè)。
光電子芯片注重光子與電子之間的相互作用，擁有多通道，大帶寬，高速率的特點(diǎn)，是支撐高速通信的關(guān)鍵技術(shù)。但由于是在砷化鎵、磷化銦材料上制作，因此，很難做到低成本和高集成度。
硅基光電子芯片是目前半導體芯片發(fā)展的最高級階段。是將上述三種芯片中的基本元素在硅襯底上異質(zhì)集成而獲得的一款大規模光電集成芯片。被公認為是后摩爾時(shí)代的核心技術(shù)，大數據時(shí)代的基石。
作為宇宙萬(wàn)物中的一員，芯片也是遵循著(zhù)自然規律、分階段、循序漸進(jìn)地形成和發(fā)展的。特別地，芯片乃人智精氣之匯聚，是人們對前沿科學(xué)技術(shù)進(jìn)行長(cháng)期研究與開(kāi)發(fā)而凝練出來(lái)的一件藝術(shù)品，不是利用大量的金錢(qián)就能在短時(shí)間內獲得的低門(mén)欄產(chǎn)品。
特定階段的芯片都會(huì )扮演特定的角色，都有它的優(yōu)點(diǎn)和不足。
在當今這個(gè)以大數據、人工智能為特點(diǎn)的信息社會(huì )，單純的電子芯片/集成電路已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足在數據傳輸和處理方面的需要，更不能帶來(lái)更上一層樓的時(shí)代更迭。
單純地強調光子的多路傳輸特點(diǎn)、光子芯片的概念，不僅不會(huì )做大光子產(chǎn)業(yè)，還有可能把 “強化國家戰略科技力量” 的努力引入歧途。
脫離電子芯片的基礎，忽略光子與電子之間的相互作用，而把硅基光電子芯片當作光子芯片來(lái)研究，那是想要建造空中樓閣；而沒(méi)有一定的電子芯片制造條件和產(chǎn)業(yè)積累，那也是造不出先進(jìn)的硅基光電子芯片的。
硅基光電子芯片是建立在電子芯片的基礎上的。它不僅可以替代部分的高端集成電路，而且可以開(kāi)辟一些新的應用領(lǐng)域，正在形成一個(gè)比集成電路產(chǎn)業(yè)更大的硅基光電子產(chǎn)業(yè)。
唯有真正了解芯片，了解芯片的發(fā)展過(guò)程，了解芯片發(fā)展的不同階段，從基礎創(chuàng )新、人才培養、到產(chǎn)業(yè)布局，都尊重芯片發(fā)展的自然規律，依靠扎扎實(shí)實(shí)地耕耘和適當的資源配置，才能高效率地獲得核心芯片，不再 “芯” 痛。
2020.12.22 于北京中關(guān)園
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