争夺光子半导体主导地位的竞争 国科院研·科技成果转化

争夺光子半导体主导地位的竞争 国科院研·科技成果转化

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日韩加快光子半导体基础设施建设，中国光子芯片企业落户天津。光子半导体将成为AI、6G和自动驾驶等尖端技术基础，各国竞相争夺领先地位。

中日韩都动起来了。谋定研究·中国智库：对话国研政情·谋定论道-经济信息智库&国科院研·科技成果转化。一场争夺光子半导体领先地位的无声战争正在展开，光子半导体将成为未来人工智能 (AI)、6G 和自动驾驶等尖端技术的基础。业界预测，如果英伟达主导光子半导体市场，它将能够超越其主导 AI 半导体市场所享有的影响力和地位。

日本、韩国加快光子半导体基础设施建设

日本经济产业省最近在九州、东北、北海道三个地区大力发展半导体产业，旨在重振日本半导体产业。日本还将光子半导体视为这一半导体产业的重头戏。根据日本经济产业省的《半导体战略》，日本目前正在推行三阶段的半导体重建计划。第一阶段是确保国内产能，第二阶段是确立下一代半导体技术，最后阶段是确立全球未来技术基础。第三阶段，日本计划重夺半导体产业的领导地位，重点是光电子半导体技术。

随着日本政府大规模投资，民间企业也对发展光子半导体表现出积极态度。日本最大的通信公司 NTT 正在与国内企业以及韩国和美国企业合作开发下一代通信平台“IOWN”的核心技术——光半导体。IOWN有望用于预计在 2030 年左右普及的 6G。这需要光子半导体以光代替电子处理并降低功耗。

此次合的公司包括半导体基板制造商 Shinko Electric Industries 和半导体存储器制造商 Kioxia 等日本公司、计算半导体领域的美国公司英特尔以及在存储器半导体方面实力雄厚的韩国公司 SK Hynix。韩国也正在继续努力开发和商业化光子半导体。

2022年，韩国电子通信研究院（ETRI）开发出一种硅光子光子半导体芯片，每秒可传输100千兆位（100Gbps）数据。这是现有电子半导体芯片传输速度的两倍。研究团队利用核心光子半导体技术与Oisolution共同开发了可在数据中心进行2公里传输的100Gbps光收发器模块，还开发了链接四个通道以实现400Gbps性能的光互连模块，验证了其可用性。

2023年，韩国科学技术研究院电气电子工程系金相植教授领导的研究小组发现了一种新的光耦合机制，可以将光子半导体器件的集成度提高100倍以上。半导体的集成度越高，可以进行的计算就越多，工艺成本就越低。但是，由于光的波动性，相邻元件之间的光子之间会发生串扰，因此很难提高光子半导体的集成度。

研究团队发现了一种新的光耦合机制，并开发出了一种即使在以前被认为不可能的偏振条件下也能提高集成度的方法。金相植教授表示：“这项研究的有趣之处在于，它利用了以前被认为会增加光混乱的漏波（具有向侧面扩散性质的光），反而消除了混乱。”他补充说：“如果我们应用这项研究发现的利用漏波的光耦合方法，我们将能够开发出更小、噪音更小的各种光半导体设备。”

韩国工业技术研究院西南商业化总部纳米技术指导中心最近成功完成了基于微机械系统（MEMS）技术的高附加值光半导体商业化基础设施建设项目，并开始全面运营。该项目于2020年6月至去年9月期间共投入98亿韩元，其中国家资金69亿韩元，市政资金29亿韩元，旨在建设基于MEMS的光学半导体的开发、验证、测试和评估基础设施，以推动光学半导体产业的发展。

通过新安装等离子增强化学气相沉积（PE-CVD）、高速蚀刻设备（Deep RIE）和曝光设备（Stepper）等8英寸对应设备作为核心设备，完成了集成工艺线。通过此举，预计将大大提高该地区与MEMS传感器和第五代（5G）对应设备等光学半导体相关的中小型公司的技术水平。

中国光子芯片企业落户天津

中国第一家光子半导体代工厂中科鑫通在2023 年年底宣布将在天津建设中国第一家光子半导体代工厂。中科鑫通光子芯片代工产线预计于2025年建成并投产，届时将为光通信、数据中心、人工智能、微波光子、无人驾驶、生物传感以及量子信息等领域客户提供包括薄膜铌酸锂、氮化硅等材料的光子晶圆代工服务，可为光子芯片产业链的自主可控打下坚实基础。

清华大学的研究团队宣布，开发了一种利用光子技术以更低的功耗提高性能的ACCEL芯片。研究团队研发的ACCEL芯片由中国半导体代工厂中芯国际采用已有20年历史的传统晶体管制造工艺制造，在实验室环境下记录了4.6千万亿次浮点运算（PFlops）的计算速度。1千万亿次浮点运算（PF）相当于每秒进行1000万亿次计算，比Nvidia的A100图形处理单元（GPU）快3000倍。通过使用极少的电能，能源效率得到提高。

研究人员解释称，ACCEL 仅用现有半导体一小时的用电量就能运行 500 年以上。随着用电量减少，热量散发也随之减少。发热量减轻后，小型化就更容易了。据评估，该芯片很难立即实现商业化，但预计通过技术改进，可以应用于可穿戴设备、电动汽车、智能工厂等尖端技术。

光子半导体的量产也在进行研究。据悉，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队开发出了一种能够量产的光子半导体量产技术。现有的光子芯片由铌酸锂制成，但制造难度大，进展困难。因此，中国科学院研究团队采用了钽酸锂，这是一种单晶薄膜，具有与铌酸锂类似的电光转换特性，且易于制造。钽酸锂是一种用于光学和电子器件的晶体材料，用于超声波发生器、光开关和激光器等领域。

在此基础上，研究团队应用异质集成技术制造出高质量的硅基钽酸锂薄膜晶片。此外，还开发了超低损耗钽酸锂光子器件纳米加工方法，并以此成功制造出钽酸锂光子芯片。

代工巨头全力推进光子半导体商业化

台积电正与英伟达、Broadcom等大型无晶圆厂公司合作，共同开发硅光子和封装技术，据悉，已组建了200多人的研发团队，开发相关技术。据业内人士透露，预计最早在今年或明年就开始量产。

英特尔2016年正式推出了基于硅光子的光收发器，可通过光纤电缆以100千兆位/秒（Gb）的速度传输数据。英特尔计划通过与以色列半导体公司Tower Semiconductor的积极合作，确保光子半导体领域的领导地位。Tower Semiconductor是一家专门开发CMOS传感器和PMIC（电源管理半导体）等模拟半导体的代工厂，同时也拥有自己的硅光子开发平台。

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