我國(guó)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(lái)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(jì)80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，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(hào)進(jìn)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(xué)電子學(xué)院王興軍教授、彭超教授、舒浩文研究員聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在超高速純硅調(diào)制器方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)電光帶寬達(dá)110GHz的純硅調(diào)制器。這是自2004年英特爾在《自然》期刊報(bào)道第一個(gè)1GHz硅調(diào)制器后，國(guó)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(jì)80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，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(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。硅光子技術(shù)將硅光模塊中的光學(xué)器件與電子元件整合到一個(gè)獨(dú)立的微芯片中，使光信號(hào)處理與電信號(hào)的處理深度融合，最終實(shí)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(guò)特色工藝制造的新型集成電路。硅光集成優(yōu)點(diǎn)主要包括了低功耗、高集成度體積減小,通過(guò)光子介質(zhì)傳輸信息因而連接速度更快,同時(shí),硅光技術(shù)可以通過(guò)晶圓測(cè)試等方法進(jìn)行批量測(cè)試,測(cè)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(shì)，更適應(yīng)未來(lái)高速、復(fù)雜的光通信系統(tǒng)。同時(shí)可以滿足長(zhǎng)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(guò)與微電子集成電路進(jìn)行單片集成，實(shí)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(yè)巖等礦石出現(xiàn)。20世紀(jì)初期，用石墨制造電池和鉛筆的技術(shù)傳入中國(guó)，當(dāng)時(shí)稱為“電煤”和“筆鉛”的石墨，開(kāi)始用于近代工業(yè)，推動(dòng)了中國(guó)石墨采掘業(yè)的發(fā)展。2021年中國(guó)天然石墨產(chǎn)量為73.5萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)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(guó)硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)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(jī)硅、合金等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要部門(mén)的核心原料。隨著近年來(lái)光伏、新能源汽車、電子信息的行業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)金屬硅的需求量不斷增長(zhǎng)，產(chǎn)量也隨之不斷增加。其中2021年中國(guó)氣相二氧化硅產(chǎn)量為12.84萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)15.8%;沉淀法二氧化硅產(chǎn)量為181.21萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)10.7%。其中2021年中國(guó)氣相二氧化硅產(chǎn)能為45.8萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)2.9%;沉淀法二氧化硅產(chǎn)能為258.71萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)3.9%。

近年來(lái)，中國(guó)硅基負(fù)極材料正在不斷發(fā)展，硅基負(fù)極市場(chǎng)迎來(lái)快速增長(zhǎng)，出貨量預(yù)計(jì)大幅增加。2021年中國(guó)硅基負(fù)極材料出貨量達(dá)1.1萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)83.33%，占負(fù)極材料出貨量的1.5%。2021年中國(guó)硅基負(fù)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(dòng)情況較大。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷穩(wěn)定升級(jí)。

根據(jù)斯坦福大學(xué)人工智能研究所發(fā)布的《2019人工智能指數(shù)報(bào)告》，深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的浮點(diǎn)計(jì)算量呈現(xiàn)驚人的增長(zhǎng)，約每3.4個(gè)月就翻一倍，遠(yuǎn)超過(guò)摩爾定律的增長(zhǎng)速率。數(shù)據(jù)量急速增長(zhǎng)，對(duì)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(guò)二進(jìn)制拓展的微電子處理器存在計(jì)算效率的瓶頸。面對(duì)海量數(shù)據(jù)的人工智能應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛、機(jī)器視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理等，往往需要專門(mén)的加速硬件，如圖像處理單元和專用集成電路等，進(jìn)行高強(qiáng)度實(shí)時(shí)的人工智能處理。硅基光電計(jì)算是后摩爾時(shí)代維持計(jì)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(chǔ)芯片等)，改變高性能計(jì)算系統(tǒng)的整體架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高帶寬和高能效的通信。

硅基光電子行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

在AI算力高彈性、國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)、下游模塊廠商海外業(yè)務(wù)拓展等的共同催化下，光芯片領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊，國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)。產(chǎn)業(yè)多種光芯片方案快速推進(jìn)，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(lái)光芯片順應(yīng)集成化規(guī)律，向硅光芯片集成高速光引擎的發(fā)展趨勢(shì)是目前行業(yè)共識(shí)，硅光芯片憑借低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)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(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)相繼入場(chǎng)進(jìn)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(guó)內(nèi)企業(yè)布局硅光技術(shù)較晚，主要通過(guò)收購(gòu)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(lái)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(guò)就當(dāng)前而言，無(wú)論是國(guó)外企業(yè)的技術(shù)領(lǐng)跑還是國(guó)內(nèi)企業(yè)的入場(chǎng)追趕，從目前的市場(chǎng)發(fā)展階段和產(chǎn)品成熟度來(lái)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(yīng)用尚需時(shí)日，但可以確定的是硅光技術(shù)未來(lái)會(huì)成為光通信領(lǐng)域的主流應(yīng)用方向。

根據(jù)工信部發(fā)布的《中國(guó)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(guó)產(chǎn)化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)60%，高端光電子芯片國(guó)產(chǎn)化率突破20%。

目前我國(guó)十四五政策上來(lái)看，上海市明確提出發(fā)展光子芯片與器件，重點(diǎn)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(yīng)用，對(duì)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(kāi)展重點(diǎn)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(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。

在消費(fèi)電子領(lǐng)域,智能傳感、移動(dòng)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(qiáng)、集成度高、適合復(fù)雜光路控制等優(yōu)勢(shì),有望成為量子通信的重要技術(shù)方案。可以預(yù)見(jiàn),隨著技術(shù)的成熟,硅光芯片在數(shù)通領(lǐng)域和消費(fèi)電子領(lǐng)域的需求將迎來(lái)一輪大爆發(fā)。

中研普華利用多種獨(dú)創(chuàng)的信息處理技術(shù)，對(duì)市場(chǎng)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理、加工、分析、傳遞，為客戶提供一攬子信息解決方案和咨詢服務(wù)，最大限度地降低客戶投資風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)營(yíng)成本，把握投資機(jī)遇，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。想要了解更多最新的專業(yè)分析請(qǐng)點(diǎn)擊中研普華產(chǎn)業(yè)研究院的《2023-2028年中國(guó)硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告》。

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  2023-2028年中國(guó)硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告

  硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，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(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。...

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