幾十年來，硅芯片一直為現(xiàn)代電子設備提供動力，從計算機、智能手機到工業(yè)計算和人工智能無不如此。但隨著計算需求的持續(xù)增長，硅基芯片的局限性日益凸顯。

處理速度、能效和可擴展性都已逼近物理與技術極限。研究人員正在探索光子芯片這種利用光而非電信號處理信息的新技術。

關鍵問題是光子芯片究竟會取代硅芯片，還是作為未來計算系統(tǒng)的補充技術存在？

光子芯片工作原理

傳統(tǒng)硅芯片依賴電信號傳輸數(shù)據，電子通過電路運動實現(xiàn)信息處理與存儲。而光子芯片使用光子（光的粒子）傳輸數(shù)據，在速度與效率上實現(xiàn)質的飛躍。

光子集成電路（PIC）由波導、調制器和光電探測器等光學元件構成，通過控制光而非電流進行運算。這種方式不僅數(shù)據傳輸更快，還能減少電阻和發(fā)熱導致的能量損耗。

目前光子芯片已應用于高速光通信、AI處理和量子計算等對數(shù)據傳輸速度要求極高的領域。在生物傳感和醫(yī)療技術領域，光子芯片也展現(xiàn)出提升實時監(jiān)測、醫(yī)學成像與診斷精度的潛力。

光子芯片與硅芯片性能對比

速度

光子芯片以光速處理信息，速度可達傳統(tǒng)硅芯片的10-100倍。電子運動速度遠低于光子，這從根本上限制了傳統(tǒng)微處理器的速度上限。

Feng等研究人員開發(fā)的鈮酸鋰（LN）光子芯片就是典型例證。該芯片基于4英寸LN晶圓制造，處理速度達到每秒256 G樣本（GSa/s）。通過集成高速調制組件，芯片可在超過67 GHz帶寬下以98%精度完成一階和二階時間積分與微分運算。在癌細胞邊界輪廓識別的圖像分割應用中，其處理速度比傳統(tǒng)微處理器快50-100倍，同時保持更低能耗。

能效

硅芯片運行會產生熱量，需要額外耗能的冷卻系統(tǒng)。在高性能計算、數(shù)據中心和AI處理場景中，散熱管理日益成為難題。

光子芯片因無需克服電阻而降低能耗，并配備僅需數(shù)毫瓦功率的熱加熱器來優(yōu)化性能。俄勒岡州立大學聯(lián)合英特爾和NASA研發(fā)的片上波分復用（WDM）技術，通過四個可調硅微環(huán)諧振器（Si-MRRs）實現(xiàn)精確溫控，在不增加功耗的前提下確保光子芯片溫度處于安全范圍。

擴展性與發(fā)展?jié)摿?/b>

硅基微處理器在尺寸與性能提升方面已接近物理極限。雖然納米技術和增材制造的進步延緩了其瓶頸期，但硅芯片的突破性創(chuàng)新愈發(fā)困難。

相比之下，光子芯片仍具發(fā)展空間：研究人員正在集成量子光子元件并改進制造工藝，3D打印和光刻技術使緊湊型光子芯片的大規(guī)模生產成為可能，避免了傳統(tǒng)硅芯片需要單獨制造組件的昂貴耗時過程。特別是量子光子芯片，在安全通信和高速計算領域展現(xiàn)出全新可能，其穩(wěn)定性和效率的提升是當前研究重點。

現(xiàn)有技術兼容性

硅芯片幾乎存在于所有現(xiàn)代電子設備中，可輕松集成到新系統(tǒng)。而光子芯片需要光調制器、波導和光學穩(wěn)定設備等專用基礎設施，這些額外組件增加了系統(tǒng)集成的復雜度和成本，導致完全轉向光子計算存在現(xiàn)實困難。

光子芯片是未來嗎？硅光子學的崛起

盡管優(yōu)勢顯著，光子芯片短期內難以完全取代硅芯片。其制造工藝復雜昂貴，需要精密材料和制造技術。考慮到硅芯片仍具成本和生產優(yōu)勢，許多專家質疑企業(yè)是否愿意轉向全光子基礎設施。

為此，研究人員開發(fā)出硅光子學這種混合方案，將光子元件集成到傳統(tǒng)硅芯片中，既保留硅的制造優(yōu)勢，又兼具光子學的速度與效率。在光通信和AI計算領域的突破，使硅光子學成為提升計算性能的首選方案，無需完全替代現(xiàn)有半導體技術。

目前硅光子學已實現(xiàn)大規(guī)模集成，單芯片可容納超萬個組件。現(xiàn)有CMOS制造工藝即可量產這類混合芯片，無需重建生產線。雖然光子芯片持續(xù)進步，但硅光子學仍是更實用經濟的解決方案。石墨烯等新型二維材料的應用提升了光子芯片效率，但距離大規(guī)模商用仍需時日。

要使光子芯片成為主流，需在制造工藝、成本控制和系統(tǒng)集成方面取得突破。在此之前，硅芯片仍是現(xiàn)代計算的基石，光子技術將作為增強而非替代者存在。