我國硅基光電子領(lǐng)域獲重大突破 硅基光電子行業(yè)現(xiàn)狀分析

• 黃文玉 2023年10月23日 來源：互聯(lián)網(wǎng) GGII 1010 64
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硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)。硅光子技術(shù)其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號進行數(shù)據(jù)傳輸。

硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

近日，北京大學電子學院王興軍教授、彭超教授、舒浩文研究員聯(lián)合團隊在超高速純硅調(diào)制器方面取得突破，實現(xiàn)了全球首個電光帶寬達110GHz的純硅調(diào)制器。這是自2004年英特爾在《自然》期刊報道第一個1GHz硅調(diào)制器后，國際上首次把純硅調(diào)制器帶寬提高到100GHz以上。

硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)。硅光子技術(shù)其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號進行數(shù)據(jù)傳輸。硅光子技術(shù)將硅光模塊中的光學器件與電子元件整合到一個獨立的微芯片中，使光信號處理與電信號的處理深度融合，最終實現(xiàn)真正意義上的“光互聯(lián)”。

硅光芯片就是采用硅光子技術(shù)的光芯片,是將硅光材料和器件通過特色工藝制造的新型集成電路。硅光集成優(yōu)點主要包括了低功耗、高集成度體積減小,通過光子介質(zhì)傳輸信息因而連接速度更快,同時,硅光技術(shù)可以通過晶圓測試等方法進行批量測試,測試效率顯著提升。

硅基光電子技術(shù)擁有光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢，更適應未來高速、復雜的光通信系統(tǒng)。同時可以滿足長距離數(shù)據(jù)傳輸以及微電子芯片間的短距離大容量數(shù)據(jù)傳輸，通過與微電子集成電路進行單片集成，實現(xiàn)高速、低功耗的片上互連，突破微電子處理器在數(shù)據(jù)互連上的瓶頸。

天然石墨，顧名思義就是自然界天然形成的石墨，一般以石墨片巖、石墨片麻巖、含石墨的片巖及變質(zhì)頁巖等礦石出現(xiàn)。20世紀初期，用石墨制造電池和鉛筆的技術(shù)傳入中國，當時稱為“電煤”和“筆鉛”的石墨，開始用于近代工業(yè)，推動了中國石墨采掘業(yè)的發(fā)展。2021年中國天然石墨產(chǎn)量為73.5萬噸，同比增長13.08%。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2023-2028年中國硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢預測報告》顯示：

金屬硅位于硅基新材料產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，是光伏、有機硅、合金等國民經(jīng)濟重要部門的核心原料。隨著近年來光伏、新能源汽車、電子信息的行業(yè)的不斷發(fā)展，我國金屬硅的需求量不斷增長，產(chǎn)量也隨之不斷增加。其中2021年中國氣相二氧化硅產(chǎn)量為12.84萬噸，同比增長15.8%;沉淀法二氧化硅產(chǎn)量為181.21萬噸，同比增長10.7%。其中2021年中國氣相二氧化硅產(chǎn)能為45.8萬噸，同比增長2.9%;沉淀法二氧化硅產(chǎn)能為258.71萬噸，同比增長3.9%。

近年來，中國硅基負極材料正在不斷發(fā)展，硅基負極市場迎來快速增長，出貨量預計大幅增加。2021年中國硅基負極材料出貨量達1.1萬噸，同比增長83.33%，占負極材料出貨量的1.5%。2021年中國硅基負極材料滲透率僅有1.53%，技術(shù)發(fā)展仍不完善，滲透率波動情況較大。未來隨著技術(shù)的不斷穩(wěn)定升級。

根據(jù)斯坦福大學人工智能研究所發(fā)布的《2019人工智能指數(shù)報告》，深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的浮點計算量呈現(xiàn)驚人的增長，約每3.4個月就翻一倍，遠超過摩爾定律的增長速率。數(shù)據(jù)量急速增長，對于硬件系統(tǒng)的信息處理銷量、延遲和能耗提出了更高的要求。通過二進制拓展的微電子處理器存在計算效率的瓶頸。面對海量數(shù)據(jù)的人工智能應用，如自動駕駛、機器視覺、自然語言處理等，往往需要專門的加速硬件，如圖像處理單元和專用集成電路等，進行高強度實時的人工智能處理。硅基光電計算是后摩爾時代維持計算性能快速發(fā)展的關(guān)鍵潛在技術(shù)。硅基光電子互連可以賦能高要求的數(shù)字芯片陣列(如GPU、CPU和ASIC存儲芯片等)，改變高性能計算系統(tǒng)的整體架構(gòu)，以實現(xiàn)高帶寬和高能效的通信。

硅基光電子行業(yè)未來發(fā)展趨勢

在AI算力高彈性、國產(chǎn)化進程持續(xù)推進、下游模塊廠商海外業(yè)務拓展等的共同催化下，光芯片領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊，國產(chǎn)替代正當時。產(chǎn)業(yè)多種光芯片方案快速推進，DFB、EML等傳統(tǒng)光芯片在穩(wěn)定性和低成本方面不斷發(fā)力。未來光芯片順應集成化規(guī)律，向硅光芯片集成高速光引擎的發(fā)展趨勢是目前行業(yè)共識，硅光芯片憑借低成本、高性能的優(yōu)勢亦有望成為更優(yōu)解決方案。

海外光通信設(shè)備廠商以及相關(guān)行業(yè)具備較強競爭力的企業(yè)相繼入場進行布局，如Intel、Cisco及SiFotonics等巨頭公司起步較早，均已推出多款基于硅光技術(shù)的器件產(chǎn)品，已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)占據(jù)頭部地位。

與海外頭部企業(yè)相比，國內(nèi)企業(yè)布局硅光技術(shù)較晚，主要通過收購擁有該技術(shù)的海外公司或者與外企成立合資公司的模式來切入，目前在研發(fā)技術(shù)和成果方面與海外巨頭還有較大差距。不過就當前而言，無論是國外企業(yè)的技術(shù)領(lǐng)跑還是國內(nèi)企業(yè)的入場追趕，從目前的市場發(fā)展階段和產(chǎn)品成熟度來看，在功耗、成本、帶寬和產(chǎn)能方面硅光技術(shù)還有較大的提升空間，距離大規(guī)模應用尚需時日，但可以確定的是硅光技術(shù)未來會成為光通信領(lǐng)域的主流應用方向。

根據(jù)工信部發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018—2022年)》指出，目前高速率光芯片國產(chǎn)化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產(chǎn)化率超過60%，高端光電子芯片國產(chǎn)化率突破20%。

目前我國十四五政策上來看，上海市明確提出發(fā)展光子芯片與器件，重點突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發(fā)與應用，對光子器件模塊化技術(shù)、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術(shù)、光電集成模塊封裝技術(shù)等方面的研究開展重點攻關(guān)。湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。

在消費電子領(lǐng)域,智能傳感、移動終端等產(chǎn)品均可利用硅光技術(shù)在有限的空間集成更多的器件在量子通信領(lǐng)域,由于硅光技術(shù)保密性強、集成度高、適合復雜光路控制等優(yōu)勢,有望成為量子通信的重要技術(shù)方案?？梢灶A見,隨著技術(shù)的成熟,硅光芯片在數(shù)通領(lǐng)域和消費電子領(lǐng)域的需求將迎來一輪大爆發(fā)。

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  2023-2028年中國硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢預測報告

  硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)。硅光子技術(shù)其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號進行數(shù)據(jù)傳輸。...

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