前言：电子微芯片是现代世界的核心，它们广泛存在于我们的笔记本电脑、智能手机、汽车和家用电器中。多年来，制造商一直在努力提升芯片的功能性能和能效，从而增强了我们电子设备的性能。然而，由于芯片制造成本和复杂性的增加，以及物理定律所设定的性能限制，这一趋势正逐渐减弱。与此同时，AI的快速发展也带来了对更高计算能力的需求。光子计算利用光（光子）而非电（电子）来传输和处理信息，有望实现更高的速度、更大的带宽和更高的效率。

作者| 方文三图片来源|网 络 

摆脱传统局限的光子芯片在AI时代下发光

在处理更为复杂的计算任务时，尤其是涉及超过5000亿个参数的大型模型时，我们面临重大挑战——系统的性能越来越受到计算节点间通信的影响，而非计算本身。

传统的电子输入/输出（I/O）解决方案难以满足芯片间及跨系统数据传输日益增长的需求。

随着计算能力的提升，电子信号的局限性愈发明显，导致功耗增加、热管理问题，最终限制了系统性能。

电子芯片以硅为基础，当制程降至7纳米以下时，便容易出现电涌和电子击穿等问题，导致难以控制。

光芯片则提供了新的解决方法，不仅能够克服功耗和访存能力的瓶颈，还能催生许多前所未有的应用场景。

光子芯片的出现，被视为一种革命性的解决方案，旨在通过光学而非电子方式进行数据传输和处理，以实现数据中心性能的大幅提升和能效的显著优化。

传统半导体技术在AI领域的局限性，以及数据中心和智能边缘中高性能AI与ML应用的需求，推动了对速度更快、可扩展性更强的芯片的追求。

在数据中心，庞大的训练数据集、大型语言模型（LLM）以及深度强化学习（DRL）已经触及了计算能力和内存带宽的极限。

在边缘计算领域，高级驾驶辅助系统（ADAS）、可穿戴设备、医疗设备以及工业4.0基础设施对芯片的需求日益复杂化，以实现在更低功耗下的快速实时推理。

利用光子芯片释放效率与可扩展性，基于光的光子芯片能够为更高效、更可持续的GenAI、DRL和AGI工作负载提供互补且切实可行的解决方案。

光芯片的应用场景获得了极大的拓展

光子芯片简单而言，是利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的芯片。

光子芯片在当下时代备受追捧，主要得益于其两方面的优势：

一是性能优势，包括高计算速度、低功耗、低时延；

其二则是制造优势，制程要求相对较低。

具体而言，由于光的传播速度极快且具有高带宽的特点，它能够在更短时间内传输更大规模的数据。

此外，光信号几乎不产生电阻热损耗，能效比传统电信号高。

部分数据显示，光子芯片的计算速度大概是电子芯片的三个数量级，约1000倍。

而光子芯片的功耗仅为电子芯片的百分之一，单位电子芯片和耗电量大约为300W，对应的光子芯片的耗电量只有4W。

光芯片不仅能在计算领域大显身手，主要应用于光通信、数据中心、超高速互联网、光子计算、量子计算和传感器等领域，也在其他领域展现其应用前景。

例如，抗干扰性能强的光子技术使得光子雷达的研发成为可能，自动驾驶、图像识别、虚拟现实、数云平台等领域，光芯片也已被大量采用。

在生命健康、超导材料以及国防装备等方面，光芯片可实现更高效的数据处理和分析，将形成神经光子学、免疫分析、高超音速武器等新的重大应用场景。

在材料选择方面，光芯片的材料选择至关重要，不同于电芯片主要使用硅（Silicon），光芯片需要使用适合光传输和调制的材料。

光子技术构成横向扩展架构的核心

光纤链路的运用，促进了跨越机架与行的交换机之间的连接，从而实现了网络规模的扩展。

尽管横向扩展网络已普遍采用光学技术，但网络的纵向扩展向光子学的转变仍在进行中，尚未完全实现。

目前，可插拔光纤收发器能够在数十米范围内实现网卡与交换机间的数据传输。

然而，随着数据传输速率的提升，这些解决方案正面临日益增长的功耗和性能瓶颈。

为了适应大规模语言模型（LLM）的增长和吞吐量需求，横向扩展网络的数据传输速率持续提升，导致网络功率已超过加速器机架的功率。

英伟达指出，将可插拔光模块转变为CPO可显著降低1.6Tbps链路的光模块功率，从30瓦特降至9瓦特。

英伟达在GTC25上推出了首款搭载CPO的横向扩展交换机。

其节能特性使得GPU密度得以提升——在相同的数据中心功率范围内，GPU数量最多可增加3倍。

目前，纵向扩展互连主要依赖铜线。英伟达的Blackwell架构采用全铜解决方案NVLink72，其广泛的布线贯穿了主板、交换机和机架背板。

随着信号频率的提高，铜线束可以直接连接到GPU，从而绕过传统的PCB走线。

新的统一接口需要兼顾两者的优势——合并后的规范应超越它们所取代的传统接口。

预计在未来几年内，规模化网络将开始向CPO过渡，并预计在2030年代大规模替换可插拔式光模块。

到2030年，CPO市场规模预计将从目前的零增长至50亿美元。

博通、Marvell、Ayar Labs、Celestial AI和Lightmatter等早期参与者，以及Coherent等激光器供应商，都将从这一趋势中受益。

结尾：在光子芯片领域国内多个城市展现出潜力

近年来，随着AI的迅猛发展，光芯片在通信、AI、数据中心等多个领域展现出巨大的发展潜力。

预计到2025年，全球光电子产业市场规模有望突破2000亿美元，其中光芯片的需求量预计将占据相当大的份额。

在庞大的市场需求驱动下，广东、江苏、陕西等国内多个地区正积极进军光芯片领域。

《光子时代：光子产业发展白皮书》显示，西安光子产业集群已初具规模，形成了光子制造、光子信息、光子传感等产业集群，在特定关键核心技术方面具有显著的领先优势。

超过200家光子技术企业聚集在西安，孕育并孵化了炬光科技、莱特光电、中科微精、奇芯光电等一批国内领先的光子技术企业。

武汉是我国较早进行光电子产业基地规划和布局的城市，是我国光子产业的领跑者和产业高地。

武汉以[中国光谷]建设为引领，加速光子产业布局，光子产业主体总量突破19.1万户，建成了全球最大的光纤光缆产业基地，光器件研发生产全国第一。

苏州被誉为[中国光电缆之都]，形成了国内最完整的光通信产业链和最具影响力的产业集群，在国内外树立了苏州光通信的整体区域品牌。

苏州将光子产业定位为全市[1号产业工程]，推出[高光20条]政策。

其中，光子领域国家级高成长企业数量达到142家，形成了完善的企业梯次发展体系。

去年九月，我国首个光子芯片中试线在无锡正式启用。

此举标志着我国光子芯片产业正式迈入产业化快速发展的轨道，将打破传统计算模式的局限，为大规模智能计算开辟新的可能性。

该中试平台总面积达1.7万平方米，集科研、生产、服务功能于一体，实现了从薄膜铌酸锂光子芯片的光刻、薄膜沉积、刻蚀、湿法处理、切割、量测到封装的全流程闭环生产。

中试线启用后，预计年产能将达到10000片晶圆，预计至2025年第一季度将正式对外提供流片服务。

近期，国产高端光芯片外延片在苏州实现量产。芯辰半导体宣布，其外延设备已投入生产，覆盖了砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）光芯片四元化合物的全材料体系。

芯辰半导体目前已实现波长范围在760 nm至1700nm的外延片量产，外延片的均匀性控制在激射中心波长外2nm以内。

部分资料参考：全球半导体观察：《中国光芯片领域再迎重大进展，江苏/四川等地集体[追光]》，半导体产业纵横：《光子芯片，助力AI》，智车行家：《解读光子芯片：高传输速度+高宽带，AI 浪潮下核心前景技术》，纵论天下之事：《光芯片，正在破局》

原文标题 : AI芯天下丨产业丨光子学赋能AI规模化发展，光芯片成为核心一环

前言：电子微芯片是现代世界的核心，它们广泛存在于我们的笔记本电脑、智能手机、汽车和家用电器中。多年来，制造商一直在努力提升芯片的功能性能和能效，从而增强了我们电子设备的性能。然而，由于芯片制造成本和复杂性的增加，以及物理定律所设定的性能限制，这一趋势正逐渐减弱。与此同时，AI的快速发展也带来了对更高计算能力的需求。光子计算利用光（光子）而非电（电子）来传输和处理信息，有望实现更高的速度、更大的带宽和更高的效率。

作者| 方文三图片来源|网 络 

摆脱传统局限的光子芯片在AI时代下发光

在处理更为复杂的计算任务时，尤其是涉及超过5000亿个参数的大型模型时，我们面临重大挑战——系统的性能越来越受到计算节点间通信的影响，而非计算本身。

传统的电子输入/输出（I/O）解决方案难以满足芯片间及跨系统数据传输日益增长的需求。

随着计算能力的提升，电子信号的局限性愈发明显，导致功耗增加、热管理问题，最终限制了系统性能。

电子芯片以硅为基础，当制程降至7纳米以下时，便容易出现电涌和电子击穿等问题，导致难以控制。

光芯片则提供了新的解决方法，不仅能够克服功耗和访存能力的瓶颈，还能催生许多前所未有的应用场景。

光子芯片的出现，被视为一种革命性的解决方案，旨在通过光学而非电子方式进行数据传输和处理，以实现数据中心性能的大幅提升和能效的显著优化。

传统半导体技术在AI领域的局限性，以及数据中心和智能边缘中高性能AI与ML应用的需求，推动了对速度更快、可扩展性更强的芯片的追求。

在数据中心，庞大的训练数据集、大型语言模型（LLM）以及深度强化学习（DRL）已经触及了计算能力和内存带宽的极限。

在边缘计算领域，高级驾驶辅助系统（ADAS）、可穿戴设备、医疗设备以及工业4.0基础设施对芯片的需求日益复杂化，以实现在更低功耗下的快速实时推理。

利用光子芯片释放效率与可扩展性，基于光的光子芯片能够为更高效、更可持续的GenAI、DRL和AGI工作负载提供互补且切实可行的解决方案。

光芯片的应用场景获得了极大的拓展

光子芯片简单而言，是利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的芯片。

光子芯片在当下时代备受追捧，主要得益于其两方面的优势：

一是性能优势，包括高计算速度、低功耗、低时延；

其二则是制造优势，制程要求相对较低。

具体而言，由于光的传播速度极快且具有高带宽的特点，它能够在更短时间内传输更大规模的数据。

此外，光信号几乎不产生电阻热损耗，能效比传统电信号高。

部分数据显示，光子芯片的计算速度大概是电子芯片的三个数量级，约1000倍。

而光子芯片的功耗仅为电子芯片的百分之一，单位电子芯片和耗电量大约为300W，对应的光子芯片的耗电量只有4W。

光芯片不仅能在计算领域大显身手，主要应用于光通信、数据中心、超高速互联网、光子计算、量子计算和传感器等领域，也在其他领域展现其应用前景。

例如，抗干扰性能强的光子技术使得光子雷达的研发成为可能，自动驾驶、图像识别、虚拟现实、数云平台等领域，光芯片也已被大量采用。

在生命健康、超导材料以及国防装备等方面，光芯片可实现更高效的数据处理和分析，将形成神经光子学、免疫分析、高超音速武器等新的重大应用场景。

在材料选择方面，光芯片的材料选择至关重要，不同于电芯片主要使用硅（Silicon），光芯片需要使用适合光传输和调制的材料。

光子技术构成横向扩展架构的核心

光纤链路的运用，促进了跨越机架与行的交换机之间的连接，从而实现了网络规模的扩展。

尽管横向扩展网络已普遍采用光学技术，但网络的纵向扩展向光子学的转变仍在进行中，尚未完全实现。

目前，可插拔光纤收发器能够在数十米范围内实现网卡与交换机间的数据传输。

然而，随着数据传输速率的提升，这些解决方案正面临日益增长的功耗和性能瓶颈。

为了适应大规模语言模型（LLM）的增长和吞吐量需求，横向扩展网络的数据传输速率持续提升，导致网络功率已超过加速器机架的功率。

英伟达指出，将可插拔光模块转变为CPO可显著降低1.6Tbps链路的光模块功率，从30瓦特降至9瓦特。

英伟达在GTC25上推出了首款搭载CPO的横向扩展交换机。

其节能特性使得GPU密度得以提升——在相同的数据中心功率范围内，GPU数量最多可增加3倍。

目前，纵向扩展互连主要依赖铜线。英伟达的Blackwell架构采用全铜解决方案NVLink72，其广泛的布线贯穿了主板、交换机和机架背板。

随着信号频率的提高，铜线束可以直接连接到GPU，从而绕过传统的PCB走线。

新的统一接口需要兼顾两者的优势——合并后的规范应超越它们所取代的传统接口。

预计在未来几年内，规模化网络将开始向CPO过渡，并预计在2030年代大规模替换可插拔式光模块。

到2030年，CPO市场规模预计将从目前的零增长至50亿美元。

博通、Marvell、Ayar Labs、Celestial AI和Lightmatter等早期参与者，以及Coherent等激光器供应商，都将从这一趋势中受益。

结尾：在光子芯片领域国内多个城市展现出潜力

近年来，随着AI的迅猛发展，光芯片在通信、AI、数据中心等多个领域展现出巨大的发展潜力。

预计到2025年，全球光电子产业市场规模有望突破2000亿美元，其中光芯片的需求量预计将占据相当大的份额。

在庞大的市场需求驱动下，广东、江苏、陕西等国内多个地区正积极进军光芯片领域。

《光子时代：光子产业发展白皮书》显示，西安光子产业集群已初具规模，形成了光子制造、光子信息、光子传感等产业集群，在特定关键核心技术方面具有显著的领先优势。

超过200家光子技术企业聚集在西安，孕育并孵化了炬光科技、莱特光电、中科微精、奇芯光电等一批国内领先的光子技术企业。

武汉是我国较早进行光电子产业基地规划和布局的城市，是我国光子产业的领跑者和产业高地。

武汉以[中国光谷]建设为引领，加速光子产业布局，光子产业主体总量突破19.1万户，建成了全球最大的光纤光缆产业基地，光器件研发生产全国第一。

苏州被誉为[中国光电缆之都]，形成了国内最完整的光通信产业链和最具影响力的产业集群，在国内外树立了苏州光通信的整体区域品牌。

苏州将光子产业定位为全市[1号产业工程]，推出[高光20条]政策。

其中，光子领域国家级高成长企业数量达到142家，形成了完善的企业梯次发展体系。

去年九月，我国首个光子芯片中试线在无锡正式启用。

此举标志着我国光子芯片产业正式迈入产业化快速发展的轨道，将打破传统计算模式的局限，为大规模智能计算开辟新的可能性。

该中试平台总面积达1.7万平方米，集科研、生产、服务功能于一体，实现了从薄膜铌酸锂光子芯片的光刻、薄膜沉积、刻蚀、湿法处理、切割、量测到封装的全流程闭环生产。

中试线启用后，预计年产能将达到10000片晶圆，预计至2025年第一季度将正式对外提供流片服务。

近期，国产高端光芯片外延片在苏州实现量产。芯辰半导体宣布，其外延设备已投入生产，覆盖了砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）光芯片四元化合物的全材料体系。

芯辰半导体目前已实现波长范围在760 nm至1700nm的外延片量产，外延片的均匀性控制在激射中心波长外2nm以内。

部分资料参考：全球半导体观察：《中国光芯片领域再迎重大进展，江苏/四川等地集体[追光]》，半导体产业纵横：《光子芯片，助力AI》，智车行家：《解读光子芯片：高传输速度+高宽带，AI 浪潮下核心前景技术》，纵论天下之事：《光芯片，正在破局》

原文标题 : AI芯天下丨产业丨光子学赋能AI规模化发展，光芯片成为核心一环