中国信通院赵文玉：算力时代 硅光迎来重要发展机遇

1月12日消息（乐思）在今日举行的“2023中国光通信高质量发展论坛 - 硅光技术研讨会”上，中国信通院技术与标准研究所副所长赵文玉指出，在算力时代超大带宽、低时延、灵活连接、低成本能耗等应用驱动下，硅光迎来发展机遇，其在通信和计算领域中的应用成为近年来讨论的热点。数据中心特点适合硅光大量应用，CPO技术崛起，光子集成趋势显著。硅光助力解决相干模块尺寸与成本问题。未来硅光通信向着高速率、集成化方向迈进。

他认为，从互联和计算来看，光互连可为计算提供高性能I/O接口，硅光计算产业整体处于初步探索阶段，预计将先在部分特定应用市场中形成产品竞争力。成为使后摩尔时代计算技术突破传统微电子计算极限的可选方案，可实现更低能耗、更小延迟以及更大带宽。

数据中心助推硅光加速发展

算力时代需要高速运力大动脉，数据中心互联（DCI）市场规模平稳增长。目前400G应用逐步提升，即将进入大规模部署阶段，800G应用也开始启动。从整体发展的态势来看，数据中心高速光连接推动底层光器件向集成化、低成本、低能耗方向发展。可以说，数据中心高速光连接构建了算力承载全光底座。

赵文玉表示，从目前的发展来看，全球算力规模不断增大，对超高速和高能效计算的需求呈指数级增长。现有的冯诺依曼架构下的传统电子信号处理器难以同时实现高算力和低能耗。探索更多维度、更多要素的协同创新成为支撑绿色算力升级的重要举措。在国家层面，我国正在推进关键前沿领域的战略研究布局和技术融通创新。

据悉，硅光在数据中心应用的三大驱动力：基于AI与ML的工作量增加、混合集成使能chiplet集成、EPDA软件的发展。目前100G中短距和400G及以上短距应用优势明显。

谈到CPO，赵文玉称，CPO正向更高集成度演进，硅光方案成主流。现有的实现方案光引擎，主要围绕在交换芯片四周。光引擎由电芯片(EIC，由TIA、Driver等构成）以及光芯片(PIC，由光探测器、调制器等构成)以及其他控制单元构成，最终目标是完全的单片集成。

另外传统的分立封装架构、调制器和PD异质异构设计无法满足大容量小型化的光引擎设计需求。自然而然，硅光集成技术在近年来成为CPO光引擎的主要方案，典型的技术特性有CMOS兼容、非气密封装、以及56GBaud高速速率。

随着技术方案的推出和多厂家的研制，近期硅光CPO样机不断推出。英特尔、Ranovus，以及Broadcom陆续都推出了先进的CPO样机或者正式的产品。

与此同时，硅光还在助力解决相干模块尺寸与成本问题。相干调制以及合分波器件的高度集成化，透镜等分立元件数大量减少，同时可采用非气密BGA接口，封装尺寸小，成本低。硅光集成芯片规模商用有望使相干技术降低成本从而进一步下沉。目前，硅光相干在400G时代以ZR/ZR+为主要应用；更高速率的800G ZR、ER1、LR、LR1标准正在研究当中，相干有望下沉至2-10km 场景。

赵文玉透露，面向5G的光电子芯片与器件技术公共服务平台，中国信通院联合上海新微、中科光芯、中兴光电子，依托工信部产业技术基础公共服务平台国家专项，建设了硅基光电子与高速激光器等芯片器件的仿真设计、制造/封装工艺、测试验证公共服务平台，促进中试熟化及应用推广。

硅光互连与计算崭露头角

目前传统服务器架构面临分解，包括通用/专用计算、AI/ML、HPC和数据存储在内的各资源池相互解耦，并通过高达Pb/s接口连接，互连开始主导成本和功耗，这为集成硅光I/O创造了巨大驱动力。

整体来看，电I/O适合封装内的器件间互连，互连损耗使得传输距离难以扩展；带宽与距离矛盾严重,需要进行平衡；基于集成光学器件或许可以解决这一问题。当前，硅光互连已启动初步应用。

在光计算方面，光计算具备高带宽、低能耗等固有优势。光计算是利用光的物理性质进行大容量信息处理的光学运算技术，具备低延迟、高带宽、低能耗等固有优势。广义的光计算是把光作为计算系统的组成部分，狭义的光计算是指在光域实现信息处理和逻辑运算。其中，最典型的特征有更低能耗的数据传输；更快时钟，更低延迟；以及强大的并行处理。

赵文玉表示，硅光经典计算存在多种典型实现方式及结构。由于受限于分立光计算系统体积大、兼容性差等问题，光计算核心器件趋向于集成化、小型化方向发展，满足光计算发展需求。而硅基光电子因其发展相对成熟、器件种类丰富、工艺兼容等优势，所以成为集成光计算系统的主要技术。

在硅光经典计算领域，以美为首的国外企业发展迅速。虽然光经典计算产业规模较小，但欧美有五家较为典型的初创企业将高校研究成果转化，形成以光计算为核心的主营业务。其中Lightmatter采用硅光方案。随着应用需求和产业生态的逐渐完善，预计光计算可初步实现相对电计算的性能和成本优势，在部分专用市场中形成产品竞争力。

同样在该领域，我国研究热情较高但企业数量较少。近年来，我国光计算研究热情较高，多家院所高校均涉足其中，相关学术交流也日益频繁。但企业数量较少，以曦智科技、光子算数为代表，沿袭国际高等院校先进技术，已初步实现商业化。

与此同时，硅光量子计算使用光子来编码量子比特，以光子的偏振自由度、角动量等作为量子比特的变化量测对象，利用集成光量子芯片来实现量子纠缠光源、量子纠缠门、量子比特测量的功能集成，实现对光量子信息的高效处理、计算和传输等功能；以及量子漫步、检索、分子模拟和组合优化等应用问题。目前被认为是实现量子计算的重要路径之一。

赵文玉坦言，我们看到，当前硅光量子计算产业处于起步阶段。光量子计算产业的发展取决于光量子态制备、光量子态的操纵、光量子探测，以及器件制作材料、工艺等一系列科学问题的研究进展。

“最终光量子计算的发展最终将落实到各行业的具体应用当中，对于产业界而言，重要的是将量子计算应用与自身业务相结合，在某些特定领域找到杀手级应用，并逐步向通用量子计算过渡。” 赵文玉强调。