AI洪流下的新引擎：光子集成電路正迎來爆發(fā)前夜
光子集成電路(PIC)是一個(gè)比“硅光子”更廣泛且更準(zhǔn)確的術(shù)語。如今，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商正在廣泛采用這種技術(shù)，以打破傳統(tǒng)技術(shù)在功耗和帶寬方面的瓶頸。這一轉(zhuǎn)型在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面上，與幾十年前電信業(yè)從銅纜轉(zhuǎn)向光纖具有根本性的不同。
目前，主要有兩個(gè)因素正在加速集成光子技術(shù)的普及與商業(yè)化進(jìn)程：技術(shù)性能的極限和市場壓力。
傳統(tǒng)的電子元器件基于電子光刻與封裝技術(shù)，其發(fā)展已接近物理極限，這限制了摩爾定律式的持續(xù)提升。不斷演進(jìn)的光刻工藝雖能提高器件密度，但在更小體積內(nèi)強(qiáng)行傳輸更多電子會(huì)導(dǎo)致熱量急劇增加，電干擾也隨之增強(qiáng)。相比之下，使用光子替代電子來承載信息，可以顯著緩解這些問題。
隨著全球經(jīng)濟(jì)向由人工智能驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)力轉(zhuǎn)型，以及跨境數(shù)據(jù)流動(dòng)的爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)傳輸?shù)?zwnj;成本、能耗和可擴(kuò)展性日益成為整個(gè)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展中的結(jié)構(gòu)性瓶頸。這使得集成光子學(xué)與光互連成為下一代數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵推動(dòng)力。而數(shù)據(jù)中心正是這一轉(zhuǎn)型的核心，并引導(dǎo)著資本投資流向光學(xué)計(jì)算架構(gòu)。
集成光子技術(shù)在能效與吞吐量方面實(shí)現(xiàn)了突破性的提升，這使得數(shù)據(jù)中心在進(jìn)行超大規(guī)模擴(kuò)展時(shí)，其能耗增長能夠顯著低于業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)展速度，從而成功擺脫了傳統(tǒng)系統(tǒng)中能耗與規(guī)模成比例同步攀升的困境。
這一趨勢與全球能源成本的上漲、愈發(fā)嚴(yán)格的碳排放法規(guī)，以及各國爭奪數(shù)字供應(yīng)鏈戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)的格局高度契合。其投資意義非常明確：在即將到來的投資周期中，那些能夠?qū)⒐饣ミB、光子集成芯片及節(jié)能型數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施成功推向商業(yè)化應(yīng)用的公司，將更有可能獲得資本市場的青睞。
隱藏的驅(qū)動(dòng)力
雖然上述兩大因素是推動(dòng)集成光子技術(shù)發(fā)展的核心，但常被忽視的第三個(gè)因素也正變得愈發(fā)重要：安全性。單純依賴軟件層的安全措施已經(jīng)越來越難以滿足需求。要獲得更高層級(jí)的信任，安全能力必須嵌入到通信基礎(chǔ)設(shè)施的底層硬件之中，而不是簡單地疊加在上面。
嵌入式光子通道通過消除能被竊聽的導(dǎo)電路徑，大幅減少了系統(tǒng)的攻擊面。此外，集成光子技術(shù)能夠在硬件層面將光信號(hào)傳輸與加密技術(shù)深度融合，例如實(shí)現(xiàn)真正的隨機(jī)數(shù)生成，從而提供更強(qiáng)大的底層安全防護(hù)。
電信業(yè)興衰與PIC爆發(fā)的本質(zhì)差異
在引入新技術(shù)時(shí)，人們通常會(huì)回顧過去行業(yè)中大規(guī)模的技術(shù)遷移，以預(yù)測市場在技術(shù)需求與商業(yè)價(jià)值上的變化。幾十年前，電信行業(yè)曾經(jīng)歷了從銅纜到光纖的根本性轉(zhuǎn)變。盡管集成電路(IC)的發(fā)展看似走上了類似的路徑，但二者之間仍存在顯著差異。
·不同的“殺手級(jí)”應(yīng)用驅(qū)動(dòng)
電信行業(yè)當(dāng)年采用光纖，是為了支持跨越數(shù)千公里的長距離、高數(shù)據(jù)速率傳輸。但那次擴(kuò)張更多是基于對市場需求的預(yù)期而非已驗(yàn)證的剛性需求。因此，當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)泡沫破裂時(shí)，整個(gè)行業(yè)隨之崩盤。
相比之下，當(dāng)前推動(dòng)集成光子技術(shù)發(fā)展的，是人工智能和區(qū)塊鏈系統(tǒng)所帶來的真實(shí)且不斷激增的需求——這些服務(wù)已經(jīng)讓現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施不堪重負(fù)。與充滿不確定性的電信時(shí)代不同，我們目前看不到這些需求有絲毫放緩的跡象，而滿足現(xiàn)有需求本身就是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。
·相同的構(gòu)建模塊，不同的尺度
電信設(shè)備和集成光子技術(shù)使用相同的基本構(gòu)件——波導(dǎo)、光源、調(diào)制器和光探測器。然而，當(dāng)這些組件從微米尺度縮小到納米尺度時(shí)，其背后所涉及的物理原理、制造方法，以及集成挑戰(zhàn)都發(fā)生了根本性的改變。
- 波導(dǎo)：電信系統(tǒng)通過光纖來引導(dǎo)光信號(hào)；而PIC則通過光刻技術(shù)在芯片上制造圖形化的波導(dǎo)，或在某些情況下利用芯片上的自由空間光路來引導(dǎo)光信號(hào)。
- 光源：電信激光器通常是帶有溫控模塊的離散器件，并通過宏觀光學(xué)元件進(jìn)行耦合；而PIC激光器(通常為InP材質(zhì))則直接集成在芯片上，這極大地減小了體積、降低了功耗，并簡化了系統(tǒng)復(fù)雜性。
- 調(diào)制器：電信調(diào)制器是離散的LiNbO?或InP器件，通常帶有厘米級(jí)的光纖尾纖和耦合器；而PIC調(diào)制器可直接在硅片上制造，這使得調(diào)制更緊湊、更節(jié)能，并能實(shí)現(xiàn)高密度復(fù)用。
- 光探測器：電信接收端使用離散的InGaAs探測器，并通過光纖連接到片外的跨阻放大器；而PIC光探測器(通常為鍺材料)則與放大器、波導(dǎo)和邏輯電路集成在一起，實(shí)現(xiàn)了高密度、低損耗的信號(hào)轉(zhuǎn)換。
由于PIC面臨的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)出能夠大規(guī)模、高效率、且在可接受的良率和精確對準(zhǔn)精度下制造這些組件的光刻與封裝工藝，因此整個(gè)制造業(yè)必須不斷進(jìn)化其能力。幸運(yùn)的是，現(xiàn)成的CMOS制造工具與工藝已經(jīng)為這一轉(zhuǎn)型奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
PIC市場的投資格局
PIC領(lǐng)域同時(shí)具備研發(fā)周期長和資本需求高兩大特點(diǎn)。但其增長的驅(qū)動(dòng)力來自超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商、金融機(jī)構(gòu)和去中心化網(wǎng)絡(luò)所帶來的結(jié)構(gòu)性、不可替代的剛性需求。對于那些擁有耐心資本、并深刻理解硬件規(guī)模化經(jīng)濟(jì)規(guī)律的投資者而言，隨著光互連和光子安全技術(shù)逐漸成為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的基石，這一領(lǐng)域?qū)⒄宫F(xiàn)出顯著的長期回報(bào)潛力。
分析當(dāng)前資本投資的集中方向，焦點(diǎn)清晰地指向了封裝與互連技術(shù)的創(chuàng)新，以及基于光子的安全技術(shù)棧。這些領(lǐng)域恰恰對應(yīng)著推動(dòng)PIC采用的兩大核心痛點(diǎn)：高效能的數(shù)據(jù)互連，以及具備硬件級(jí)加密韌性的系統(tǒng)安全。
然而，投資者也必須對PIC投資的時(shí)間周期和資本強(qiáng)度保持清醒的現(xiàn)實(shí)預(yù)期。PIC初創(chuàng)企業(yè)的成長與發(fā)展周期遠(yuǎn)比一般科技公司要長——通常需要8至14年才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，并且在達(dá)到明顯的收入拐點(diǎn)前，通常需要4,000萬至1.5億美元的投入。光子技術(shù)初創(chuàng)公司的中位退出時(shí)間約為9年，10年期內(nèi)的失敗率估計(jì)在40%至60%之間(由于幸存者偏差和未公開的關(guān)停事件，實(shí)際觀察到的數(shù)字可能偏低)。
在2015至2025年間，美國在硅(Si)、氮化硅(SiN)、磷化銦(InP)和鈮酸鋰(LNOI)等不同平臺(tái)上，涌現(xiàn)了大約35至50家具備持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ募晒庾蛹夹g(shù)公司。
根據(jù)歷史基準(zhǔn)和行業(yè)對比來看：大多數(shù)早期初創(chuàng)企業(yè)(專注于光子安全硬件、金融科技/交易所試點(diǎn)應(yīng)用)，其融資前估值通常在1,000萬至2,000萬美元之間；而成長期的初創(chuàng)企業(yè)(致力于電信/金融部署、量子技術(shù)就緒的試點(diǎn)項(xiàng)目)，其融資前估值則在3,000萬至7,000萬美元之間。總體而言，這類公司在實(shí)現(xiàn)退出(通過并購或上市)前，平均需要籌集約1.89億美元，而極為成功的退出案例融資總額介于2,250萬至4.5億美元之間。最終成功退出的PIC公司，通常在退出前總計(jì)需要籌集1.75億至2億美元的資金。
高價(jià)值的退出結(jié)果始終與那些擁有龐大可服務(wù)市場和系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)能力的公司緊密相連，例如開發(fā)相干光通信模塊和具備廣泛應(yīng)用前景的先進(jìn)傳感技術(shù)平臺(tái)的公司。而低價(jià)值(低于2億美元)的退出，則往往發(fā)生在采用利基型PIC架構(gòu)、僅提供單一組件產(chǎn)品策略的企業(yè)身上。
當(dāng)前的退出市場環(huán)境已經(jīng)發(fā)生變化。曾經(jīng)為許多光學(xué)公司在2020-2021年間提供高估值退出路徑的SPAC(特殊目的收購公司)渠道已經(jīng)基本關(guān)閉。相反，分階段收購正變得越來越普遍。許多大公司現(xiàn)在更傾向于收購擁有核心技術(shù)的PIC團(tuán)隊(duì)以獲得其集成能力，而非直接購買其完整的產(chǎn)品組合。
克服PIC障礙需要什么？
隨著PIC技術(shù)從可行性驗(yàn)證邁向?qū)嶋H部署，仍然存在幾個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。其中有三項(xiàng)尤為突出，值得行業(yè)集中工程力量和資本進(jìn)行攻關(guān)。
·異質(zhì)材料的集成
當(dāng)前的制造技術(shù)可以生產(chǎn)出性能優(yōu)異的單個(gè)PIC組件，但這些組件往往依賴于多種不同材料，這些材料很難在同一塊晶圓上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定集成。例如，當(dāng)磷化銦(InP)激光器與硅材料鍵合時(shí)，兩者的熱膨脹系數(shù)不匹配會(huì)導(dǎo)致光耦合失準(zhǔn)，從而大大降低產(chǎn)品良率。
關(guān)鍵研究方向：設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性的鍵合與對準(zhǔn)技術(shù)，能夠在硅基底上集成異質(zhì)材料，且滿足CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)兼容的制造公差，同時(shí)不損害熱可靠性、光學(xué)效率或產(chǎn)品良率。在此領(lǐng)域的突破將直接降低功耗、削減成本，并推動(dòng)硅光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面的規(guī)模化生產(chǎn)。
·針對高密度、高效率與高速度優(yōu)化的3D封裝方法
目前，針對PIC的封裝技術(shù)改進(jìn)主要集中在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和降低成本上，并未充分解決光子學(xué)所特有的精度挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)的倒裝芯片(Flip-Chip)工藝根本無法滿足芯片間光耦合所需的嚴(yán)苛公差：垂直方向需要±1至2微米的精度，而水平方向則需要±200至300納米的精度。
關(guān)鍵研究方向：開發(fā)新型的耦合或鍵合技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)光子“芯粒”(chiplet)的自動(dòng)化晶圓級(jí)集成，同時(shí)維持亞微米級(jí)的對準(zhǔn)精度，且無需昂貴的人工對準(zhǔn)或封裝后調(diào)校。該領(lǐng)域的成功將大幅降低封裝成本、提高良率，并使真正的晶圓級(jí)集成具備商業(yè)可行性。
·面向量子計(jì)算的低溫至室溫光子接口
低溫量子計(jì)算面臨的一個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)挑戰(zhàn)，就是如何將系統(tǒng)可靠地連接到外部。傳統(tǒng)的銅互連會(huì)傳導(dǎo)熱量、限制帶寬，并且無法承載量子態(tài)。光子互連可以有效應(yīng)對這些限制，能夠在低溫環(huán)境與室溫環(huán)境之間傳輸信號(hào)，并在量子計(jì)算模塊之間分發(fā)量子糾纏態(tài)。
關(guān)鍵研究方向：開發(fā)能夠在低溫(約4K或-269.15℃)至室溫(約300K或26.85℃)的寬溫范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的光子收發(fā)器，同時(shí)確保波導(dǎo)之間保持結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的光學(xué)對準(zhǔn)精度。該領(lǐng)域的突破將是實(shí)現(xiàn)模塊化量子計(jì)算架構(gòu)的關(guān)鍵一步。
支持這一轉(zhuǎn)型
光子集成電路的商業(yè)化早已過了可行性討論的階段。未來的持續(xù)進(jìn)步有賴于工程層面的實(shí)質(zhì)性突破，而這需要大量的研究和資金支持。現(xiàn)在，電子工程師、制造科學(xué)家與投資者必須匯聚一堂，協(xié)同創(chuàng)新，并以能夠跟上社會(huì)對數(shù)字化服務(wù)指數(shù)級(jí)增長的需求之速度，實(shí)現(xiàn)技術(shù)規(guī)模化的突破。我們在此領(lǐng)域的成功，將最終定義下一個(gè)計(jì)算時(shí)代的版圖。
本文翻譯自國際電子商情姊妹平臺(tái)EE Times，原文標(biāo)題：
