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布局|瞭望 | 以科技革命的战略眼光布局光子芯片( 二 )


光子学是与电子学平行的科学 。 科学家普遍认为 ， 光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息 。 荷兰科学家最早提出“以光子作为信息载体和能量载体的科学” 。 中国科学院西安光机所首任所长龚祖同院士（学部委员）在1978年9月召开的第二届全国高速摄影会议的发言中提到 ， 激光问世以后 ， 与其联系着的光子学逐步成长 。 1979年 ， 钱学森教授在《中国激光》上著文 ， 首次提出“光子学、光子技术和光子工业”的构想 ， 并认为以集成光路为核心的光子计算机的运算能力可以超过电子计算机百倍、千倍乃至万倍 。
电子学有四个基本要素 ， 分别是作为载体的电子、作为传输介质的电缆和电路、发电机和晶体管 。 与之对应 ， 在光子学中信息载体是光子 ， 传输介质是光波波导和光纤 ， 激光发射器好比发电机 ， 光电调制元件相当于电子开关和电子晶体管 。
从发展路线来看 ， 电是从电学开始到电子学 ， 再到电子回路、电子集成、电子系统、电子工程 ， 最后到电子产业 。 光是从光学开始到光子学、光子回路、光子集成、光子系统、光子工程 ， 最后到光子产业 。 根据底层的科学逻辑可以判断 ， 人类一定会进入微光子学时代 ， 利用微光子技术进行元器件的大规模集成必定会实现 。
布局|瞭望 | 以科技革命的战略眼光布局光子芯片
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第四届进博会技术装备展区集成电路专区现场（2021年11月5日摄） 张建松摄/本刊
光子芯片是否会替代电子芯片
在电子芯片发展已有六七十年、产业已经很成熟的情况下 ， 为什么要发展光子芯片？
一是以电子为载体的技术发展已趋近物理极限 。 当下集成电路是以硅为基础材料的 ， 硅原子的直径约为0.22纳米 ， 当制程降至7纳米以下时 ， 极易出现电涌和电子击穿问题 ， 也就是已经很难完美地控制电子了 。 虽然代表全球最顶尖水平的台积电仍然在不断地进行3纳米及2纳米的技术研发及产能投资 ， 但业内人士普遍认为集成电路的尺寸微缩最多到2030年就会达到物理极限 ， 亟需寻找创新发展的出路 。
二是电子芯片尺寸降到极致时会出现“功耗墙”难题 。 比如 ， 巨大的耗能压力就是计算机发展的最大技术障碍之一 。 虽然国内外学术界和工业界进行了大量努力 ， 但由于CMOS半导体功耗密度已接近极限 ， 所以必须寻找新途径、新结构、新材料 。
三是过去几十年中处理器的性能以每年约55%的速度提升 ， 而内存性能的提升速度约为每年10% ， 长期累积下来 ， 不平衡的发展速度造成了当前内存的存取速度严重滞后于处理器的计算速度 ， 访存瓶颈导致高性能处理器难以发挥出应有的功效 。 简单来讲 ， 就是大量信息存储不过来、计算不过来 。

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