中國信通院趙文玉：算力時代 硅光迎來重要發(fā)展機遇

1月12日消息（樂思）在今日舉行的“2023中國光通信高質(zhì)量發(fā)展論壇 - 硅光技術(shù)研討會”上，中國信通院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所副所長趙文玉指出，在算力時代超大帶寬、低時延、靈活連接、低成本能耗等應(yīng)用驅(qū)動下，硅光迎來發(fā)展機遇，其在通信和計算領(lǐng)域中的應(yīng)用成為近年來討論的熱點。數(shù)據(jù)中心特點適合硅光大量應(yīng)用，CPO技術(shù)崛起，光子集成趨勢顯著。硅光助力解決相干模塊尺寸與成本問題。未來硅光通信向著高速率、集成化方向邁進。

他認(rèn)為，從互聯(lián)和計算來看，光互連可為計算提供高性能I/O接口，硅光計算產(chǎn)業(yè)整體處于初步探索階段，預(yù)計將先在部分特定應(yīng)用市場中形成產(chǎn)品競爭力。成為使后摩爾時代計算技術(shù)突破傳統(tǒng)微電子計算極限的可選方案，可實現(xiàn)更低能耗、更小延遲以及更大帶寬。

數(shù)據(jù)中心助推硅光加速發(fā)展

算力時代需要高速運力大動脈，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）市場規(guī)模平穩(wěn)增長。目前400G應(yīng)用逐步提升，即將進入大規(guī)模部署階段，800G應(yīng)用也開始啟動。從整體發(fā)展的態(tài)勢來看，數(shù)據(jù)中心高速光連接推動底層光器件向集成化、低成本、低能耗方向發(fā)展。可以說，數(shù)據(jù)中心高速光連接構(gòu)建了算力承載全光底座。

趙文玉表示，從目前的發(fā)展來看，全球算力規(guī)模不斷增大，對超高速和高能效計算的需求呈指數(shù)級增長?，F(xiàn)有的馮諾依曼架構(gòu)下的傳統(tǒng)電子信號處理器難以同時實現(xiàn)高算力和低能耗。探索更多維度、更多要素的協(xié)同創(chuàng)新成為支撐綠色算力升級的重要舉措。在國家層面，我國正在推進關(guān)鍵前沿領(lǐng)域的戰(zhàn)略研究布局和技術(shù)融通創(chuàng)新。

據(jù)悉，硅光在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的三大驅(qū)動力：基于AI與ML的工作量增加、混合集成使能chiplet集成、EPDA軟件的發(fā)展。目前100G中短距和400G及以上短距應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

談到CPO，趙文玉稱，CPO正向更高集成度演進，硅光方案成主流?，F(xiàn)有的實現(xiàn)方案光引擎，主要圍繞在交換芯片四周。光引擎由電芯片(EIC，由TIA、Driver等構(gòu)成）以及光芯片(PIC，由光探測器、調(diào)制器等構(gòu)成)以及其他控制單元構(gòu)成，最終目標(biāo)是完全的單片集成。

另外傳統(tǒng)的分立封裝架構(gòu)、調(diào)制器和PD異質(zhì)異構(gòu)設(shè)計無法滿足大容量小型化的光引擎設(shè)計需求。自然而然，硅光集成技術(shù)在近年來成為CPO光引擎的主要方案，典型的技術(shù)特性有CMOS兼容、非氣密封裝、以及56GBaud高速速率。

隨著技術(shù)方案的推出和多廠家的研制，近期硅光CPO樣機不斷推出。英特爾、Ranovus，以及Broadcom陸續(xù)都推出了先進的CPO樣機或者正式的產(chǎn)品。

與此同時，硅光還在助力解決相干模塊尺寸與成本問題。相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化，透鏡等分立元件數(shù)大量減少，同時可采用非氣密BGA接口，封裝尺寸小，成本低。硅光集成芯片規(guī)模商用有望使相干技術(shù)降低成本從而進一步下沉。目前，硅光相干在400G時代以ZR/ZR+為主要應(yīng)用；更高速率的800G ZR、ER1、LR、LR1標(biāo)準(zhǔn)正在研究當(dāng)中，相干有望下沉至2-10km 場景。

趙文玉透露，面向5G的光電子芯片與器件技術(shù)公共服務(wù)平臺，中國信通院聯(lián)合上海新微、中科光芯、中興光電子，依托工信部產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺國家專項，建設(shè)了硅基光電子與高速激光器等芯片器件的仿真設(shè)計、制造/封裝工藝、測試驗證公共服務(wù)平臺，促進中試熟化及應(yīng)用推廣。

硅光互連與計算嶄露頭角

目前傳統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)面臨分解，包括通用/專用計算、AI/ML、HPC和數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)的各資源池相互解耦，并通過高達Pb/s接口連接，互連開始主導(dǎo)成本和功耗，這為集成硅光I/O創(chuàng)造了巨大驅(qū)動力。

整體來看，電I/O適合封裝內(nèi)的器件間互連，互連損耗使得傳輸距離難以擴展；帶寬與距離矛盾嚴(yán)重,需要進行平衡；基于集成光學(xué)器件或許可以解決這一問題。當(dāng)前，硅光互連已啟動初步應(yīng)用。

在光計算方面，光計算具備高帶寬、低能耗等固有優(yōu)勢。光計算是利用光的物理性質(zhì)進行大容量信息處理的光學(xué)運算技術(shù)，具備低延遲、高帶寬、低能耗等固有優(yōu)勢。廣義的光計算是把光作為計算系統(tǒng)的組成部分，狹義的光計算是指在光域?qū)崿F(xiàn)信息處理和邏輯運算。其中，最典型的特征有更低能耗的數(shù)據(jù)傳輸；更快時鐘，更低延遲；以及強大的并行處理。

趙文玉表示，硅光經(jīng)典計算存在多種典型實現(xiàn)方式及結(jié)構(gòu)。由于受限于分立光計算系統(tǒng)體積大、兼容性差等問題，光計算核心器件趨向于集成化、小型化方向發(fā)展，滿足光計算發(fā)展需求。而硅基光電子因其發(fā)展相對成熟、器件種類豐富、工藝兼容等優(yōu)勢，所以成為集成光計算系統(tǒng)的主要技術(shù)。

在硅光經(jīng)典計算領(lǐng)域，以美為首的國外企業(yè)發(fā)展迅速。雖然光經(jīng)典計算產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，但歐美有五家較為典型的初創(chuàng)企業(yè)將高校研究成果轉(zhuǎn)化，形成以光計算為核心的主營業(yè)務(wù)。其中Lightmatter采用硅光方案。隨著應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的逐漸完善，預(yù)計光計算可初步實現(xiàn)相對電計算的性能和成本優(yōu)勢，在部分專用市場中形成產(chǎn)品競爭力。

同樣在該領(lǐng)域，我國研究熱情較高但企業(yè)數(shù)量較少。近年來，我國光計算研究熱情較高，多家院所高校均涉足其中，相關(guān)學(xué)術(shù)交流也日益頻繁。但企業(yè)數(shù)量較少，以曦智科技、光子算數(shù)為代表，沿襲國際高等院校先進技術(shù)，已初步實現(xiàn)商業(yè)化。

與此同時，硅光量子計算使用光子來編碼量子比特，以光子的偏振自由度、角動量等作為量子比特的變化量測對象，利用集成光量子芯片來實現(xiàn)量子糾纏光源、量子糾纏門、量子比特測量的功能集成，實現(xiàn)對光量子信息的高效處理、計算和傳輸?shù)裙δ?；以及量子漫步、檢索、分子模擬和組合優(yōu)化等應(yīng)用問題。目前被認(rèn)為是實現(xiàn)量子計算的重要路徑之一。

趙文玉坦言，我們看到，當(dāng)前硅光量子計算產(chǎn)業(yè)處于起步階段。光量子計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取決于光量子態(tài)制備、光量子態(tài)的操縱、光量子探測，以及器件制作材料、工藝等一系列科學(xué)問題的研究進展。

“最終光量子計算的發(fā)展最終將落實到各行業(yè)的具體應(yīng)用當(dāng)中，對于產(chǎn)業(yè)界而言，重要的是將量子計算應(yīng)用與自身業(yè)務(wù)相結(jié)合，在某些特定領(lǐng)域找到殺手級應(yīng)用，并逐步向通用量子計算過渡。” 趙文玉強調(diào)。

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