隨著中科院光芯片取得重大突破，中國本土光芯片向國際先進水平發(fā)起沖擊！

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中科院光芯片取得重大突破

光計算在AI領(lǐng)域呈現(xiàn)高速的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。最近，中國科學院半導(dǎo)體研究團隊研制出一款超高集成度光學卷積處理器。這標志著我國在光計算方面有了重大突破。 日前，中國科學院發(fā)布消息稱，中國科學院半導(dǎo)體研究所集成光電子學國家重點實驗室微波光電子課題組李明研究員-祝寧華院士團隊研制出一款超高集成度光學卷積處理器。相關(guān)研究成果以Compact optical convolution processing unit based on multimode interference為題，發(fā)表在《自然-通訊》上。

該團隊提出的光學卷積處理單元實驗驗證了手寫數(shù)字圖像特征提取和分類能力。結(jié)果表明，圖像特征提取精度達到5 bit；對來自MNIST手寫數(shù)字數(shù)據(jù)庫的手寫數(shù)字進行十分類，準確率達92.17%。與其他光計算方案相比，該方案具有如下優(yōu)點：

（1）高算力密度：將光波分復(fù)用技術(shù)與光多模干涉技術(shù)相結(jié)合，采用4個調(diào)控單元實現(xiàn)3個2×2實值Kernel并行運算，算力密度達到12.74-T MACs/s/mm2。

（2）線性擴展性：調(diào)控單元數(shù)量隨著矩陣規(guī)模線性增長，具有很強的大規(guī)模集成的潛力。

這標志著我國在光計算方面有了重大突破。中信建投更是直接喊出此項技術(shù)的突破在AI領(lǐng)域具有廣闊前景。據(jù)了解，光計算是一種利用光波作為載體進行信息處理的技術(shù)，具有大帶寬、低延時、低功耗等優(yōu)點，提供了一種“傳輸即計算，結(jié)構(gòu)即功能”的計算架構(gòu)，有望避免馮·諾依曼計算范式中存在的數(shù)據(jù)潮汐傳輸問題。

中信建投指出，近年來光計算在AI領(lǐng)域呈現(xiàn)高速的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。以Lightmatter和Lightelligence為代表的公司，推出了新型的硅光計算芯片，性能遠超目前的AI算力芯片，據(jù)Lightmatter的數(shù)據(jù)，他們推出的Envise芯片的運行速度比英偉達的A100芯片快1.5到10倍。

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光芯片需求迎來全面爆發(fā)

光芯片是光通信行業(yè)核心元件。 激光器芯片和探測器芯片就合稱為光芯片，光芯片是實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)元件，其性能決定了光通信系統(tǒng)的傳輸效率。與傳統(tǒng)的光學元件相比，光芯片具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度、高可靠的光學信號處理和傳輸。在算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)海量增長的背景下，光芯片將會迎來巨大的機會。

隨著傳輸速率的提高，光芯片在光模塊成本中的比例也越來越大，10Gbs 以下光模塊中光芯片占 比 30%，10Gbs-25Gbs 光模塊中占比 40%，而 25Gbs 以上光模塊中光芯片的占比則達到了 60%。

當前新一輪以 AI為代表的科技革命正席卷全球，OpenAI開發(fā)的 ChatGPT使得 AIGC備受關(guān)注。而在AIGC商業(yè)化應(yīng)用加速落地的背景下，算力基礎(chǔ)設(shè)施的海量增長和升級換代將成為必然趨勢。

光模塊現(xiàn)階段主要應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域，根據(jù)LightCounting 數(shù)據(jù)測算，2022 年全球光模塊市場規(guī)模同比增長 14%，預(yù)計 2022-2027 年全球光模塊市場 CAGR 為 10%，在 2027年超過200億美元。

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國產(chǎn)替代加速

光芯片是光通信技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。

歐美國家光芯片技術(shù)領(lǐng)先，國內(nèi)光芯片企業(yè)追趕較快，目前全球市場由美中日三國占據(jù)主導(dǎo)地位。海外光芯片企業(yè)已形成產(chǎn)業(yè)閉環(huán)和高行業(yè)壁壘，可自主完成芯片設(shè)計、晶圓外延等關(guān)鍵工序，可量產(chǎn)25G 及以上速率的光芯片。部分中國光芯片企業(yè)已具備領(lǐng)先水平，隨著技術(shù)能力提升和市場 認可度提高，競爭力將進一步增強。

經(jīng)過多年的發(fā)展，各類光芯片國產(chǎn)替代率分化明顯，不過高端光芯片國產(chǎn)替代率仍較低，具體格局如下——

·2.5G及以下光芯片：主要應(yīng)用于光纖接入市場，國內(nèi)光芯片企業(yè)已經(jīng)占據(jù)主要市場份額。

·10G光芯片：主要應(yīng)用在光纖接入市場、移動通信網(wǎng)絡(luò)市場和數(shù)據(jù)中心市場。我國光芯片企業(yè)已基本掌握10G 光芯片的核心技術(shù)，但部分型號產(chǎn)品仍存在較高技術(shù)門檻，依賴進口。

·25G及以上光芯片：主要應(yīng)用于移動通信網(wǎng)絡(luò)市場和數(shù)據(jù)中心市場，包括25G、50G、100G激光器及探測器芯片。

光芯片發(fā)展與光通信和光模塊密不可分，行業(yè)正處于加速發(fā)展階段。光芯片是光通信和光模塊的 重要組成部分，隨著光通信行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用場景的變化，光模塊和光芯片都在加速發(fā)展。光模 塊行業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，光子集成技術(shù)的產(chǎn)業(yè)體系初步形成，推動了光芯片產(chǎn)業(yè)的高速 發(fā)展光芯片在降低光纖損耗等方面發(fā)揮了重要作用，在新興領(lǐng)域方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

而從整個光通信產(chǎn)業(yè)鏈角度看，光芯片與電芯片、結(jié)構(gòu)件、輔料等構(gòu)成光通信產(chǎn)業(yè)上游，產(chǎn)業(yè)中游為光器件，包括光組件與光模塊，產(chǎn)業(yè)下游組裝成系統(tǒng)設(shè)備，最終應(yīng)用于電信市場，如光纖接入、4G/5G移動通信網(wǎng)絡(luò)，云計算、互聯(lián)網(wǎng)廠商數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。

隨著光通信需求的增長，光通信芯片需求正在快速增長。ICC預(yù)計，2023年中國高速率光芯片市場空間有望達到30.22億美元，2025年有望達到43.4億美元。同時中國在全球光通信芯片市場的占比有望持續(xù)提升。

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AI打開高速率光芯片成長空間

當前新一輪以 AI為代表的科技革命正席卷全球，OpenAI開發(fā)的 ChatGPT使得 AIGC備受關(guān)注。而在 AIGC 商業(yè)化應(yīng)用加速落地的背景下，算力基礎(chǔ)設(shè)施的海量增長和升級換代將成為必然趨勢。算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)背景下，光芯片有望迎來新一輪成長機會。 而在具體應(yīng)用方面，AIGC的算力要求催生高速率、大帶寬的網(wǎng)絡(luò)需求，光模塊向更高速率演 進，將有力推動光芯片的技術(shù)升級和更新?lián)Q代。同時，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級導(dǎo)致內(nèi)部光連接增加，傳統(tǒng)三層架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心正向葉脊架構(gòu)過渡，意味著光模塊需要更快的傳輸速率和更高的覆 蓋率，中高端光芯片有望快速放量。激光雷達等應(yīng)用的快速落地也將有力推升光芯片的需求。

而高速率光芯片市場來看，對外依存度較高。25G及以上速率屬于高速率光芯片，目前由歐美日領(lǐng)先企業(yè)占主導(dǎo)，Oclaro、Avago、NeoPhotonics等具備50G EML芯片能力，DFB和VCSEL激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達到50G，F(xiàn)inisar、AAOI、Oclaro具備50G PAM4 DML芯片的能力，國內(nèi)與海外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在一定差距。 好在當前光芯片主要應(yīng)用場景包括光纖接入、4G/5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等，都處于速率升級、代際更迭的關(guān)鍵窗口期，在對高速傳輸需求不斷提升背景下，未來25G以上速率光模塊所使用的光芯片占比將逐漸擴大，到2025年，整體市場空間將達43.40億美元，年均復(fù)合增長率將達到21.40%，國內(nèi)廠商在高速率光芯片領(lǐng)域有望借自身技術(shù)實力綁定優(yōu)質(zhì)客戶，從而最終實現(xiàn)進口替代。