光芯片國產替代迎來新機遇

顏媛媛

中科院光芯片取得重大突破

日前，中國科學院發布消息稱，中國科學院半導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。相關研究成果以Compact opticalconvolution processing unit based on multimodeinterference 為題，發表在《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字圖像特征提取和分類能力。結果表明，圖像特征提取精度達到5 bit；對來自MNIST 手寫數字數據庫的手寫數字進行分類，準確率達92.17%。與其他光計算方案相比，該方案具有如下優點：（1）高算力密度：將光波分復用技術與光多模干涉技術相結合，采用4 個調控單元實現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：調控單元數量隨著矩陣規模線性增長，具有很強的大規模集成的潛力。

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的突破在AI 領域具有廣闊前景。據了解，光計算是一種利用光波作為載體進行信息處理的技術，具有大帶寬、低延時、低功耗等優點，提供了一種“傳輸即計算，結構即功能”的計算架構，有望避免馮·諾依曼計算范式中存在的數據潮汐傳輸問題。

中信建投指出，近年來光計算在AI 領域呈現高速的發展，具有廣闊的應用前景。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Lightmatter 的數據，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。

光芯片需求迎來全面爆發

激光器芯片和探測器芯片就合稱為光芯片，光芯片是實現光電信號轉換的基礎元件，其性能決定了光通信系統的傳輸效率。與傳統的光學元件相比，光芯片具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高等優勢，能夠實現高速、高精度、高可靠的光學信號處理和傳輸。在算力基礎設施建設海量增長的背景下，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，10Gbps 以下光模塊中光芯片占比 30%，10Gbps-25Gbps 光模塊中占比 40%， 而25Gbps 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 開發的 ChatGPT 使得 AIGC 備受關注。而在AIGC 商業化應用加速落地的背景下，算力基礎設施的海量增長和升級換代將成為必然趨勢。

光模塊現階段主要應用于光通信領域， 根據LightCounting 數據測算，2022 年全球光模塊市場規模同比增長 14%，預計 2022-2027 年全球光模塊市場CAGR 為 10%，在 2027 年將超過200 億美元。

國產替代加速

光芯片是光通信技術壁壘最高的環節之一。

歐美國家光芯片技術領先，國內光芯片企業追趕較快，目前全球市場由美中日三國占據主導地位。 海外光芯片企業已形成產業閉環和高行業壁壘，可自主完成芯片設計、晶圓外延等關鍵工序，可量產25Gbps 及以上速率的光芯片。部分中國光芯片企業已具備領先水平，隨著技術能力提升和市場 認可度提高，競爭力將進一步增強。

經過多年的發展，各類光芯片國產替代率分化明顯，不過高端光芯片國產替代率仍較低，具體格局如下——·

2.5Gbps 及以下光芯片：主要應用于光纖接入市場，國內光芯片企業已經占據主要市場份額。

·10Gbps 光芯片：主要應用在光纖接入市場、移動通信網絡市場和數據中心市場。我國光芯片企業已基本掌握10G 光芯片的核心技術，但部分型號產品仍存在較高技術門檻，依賴進口。

·25Gbps 及以上光芯片：主要應用于移動通信網絡市場和數據中心市場，包括25Gbps、50Gbps、100Gbps 激光器及探測器芯片。

而從高速率光芯片市場來看，對外依存度較高。25Gbps 及以上速率屬于高速率光芯片，目前由歐美日領先企業占主導，Oclaro、Avago、NeoPhotonics 等具備50Gbps EML 芯片能力，DFB 和VCSEL 激光器芯片大規模商用的最高速率已達到50Gbps，Finisar、AAOI、Oclaro 具備50Gbps PAM4 DML 芯片的能力，國內與海外產業領先水平存在一定差距。

好在當前光芯片主要應用場景包括光纖接入、4G/5G 移動通信網絡、數據中心等，都處于速率升級、代際更迭的關鍵窗口期，在對高速傳輸需求不斷提升背景下，未來25Gbps 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，年均復合增長率將達到21.40%，國內廠商在高速率光芯片領域有望憑借自身技術實力綁定優質客戶，從而最終實現國產替代。