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怎么发展中国芯？听听芯片老兵北大教授周治平的建议 | 燕缘科创N

2021-01-14

燕缘科创第32期邀请了北京大学教授，一个在芯片行业50年的老兵——周治平教授，周治平教授主要研究方向为微电子、光电子、光通信，著有专著《硅基光电子学》。1970年代，周治平教授在中国创建了一个晶体管厂，1993年在美国创建一个CMOS研究平台，研究如何将CMOS与机械、光学、生物等其他元器件结合。2005年，周治平教授回国，希望对中国的芯片行业带来帮助。在芯片行业50多年，面对当前中国芯片前所未有的发展挑战和机会，汹涌的芯片创业大潮，周治平教授从科普的角度分享了中国缺什么芯片？中国芯片产业到底如何发展？

周治平，北京大学教授；美国乔治亚理工学院博士，OSA Fellow, SPIE Fellow, IET Fellow；中国光学学会荣誉理事，中国光学工程学会常务理事；Photonics Research创刊主编。研究领域包括微电子，光电子，光通信；主编出版国内第一本《硅基光电子学》；发表论文，书籍章节，专利，特邀报告600余篇/次，指导中外学生逾百名。1987-2005年在美国留学工作，曾任美国乔治亚理工学院微电子研究中心的资深研究员以及电子和计算机工程系兼职教授，IEEE亚特兰大分会理事。2005年全职回国，从事硅基光电子相关工作。曾任武汉光电国家实验室（筹）主任助理; 武汉中芯国际项目专家顾问组副组长，IEEE中国武汉分会创会主席。承担过国家基金委重点项目，科技部973，863项目，北京市科委项目，湖北省重大基金项目, 深圳市科技计划项目，以及多个来自大型企业的横向项目。领导的硅基光电子及微系统实验室于2014年12月完成了科技部863十二五重大项目课题“硅基集成100Gb/s相干接收和传输芯片技术”的研究工作，研制出100Gb/s硅基光调制发射和光相干接收芯片, 填补了国内空白。

以下是分享内容整理：�电子是构成物质的基本粒子之一，它绕原子核运动，可以通过电线传导，是一种费米子。光子是一种电磁波的量子状态。它同时具有波动性和粒子性，沿光波导运动效率最高，被定义为玻色子。光谱表达光波的不同频率分布。如可见光中不同颜色对应不同的光谱区，可以分别携带不同的信息。�半导体，指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，是微电子芯片和光电子芯片的最佳材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓、铟、磷等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

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半导体的能带结构

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半导体中光子与电子的互动

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微电子芯片原理就是价带中的电子，通过吸收外界能量，跳到导带中从而改变半导体的导电性能。光电子芯片通过半导体吸收光子产生电子-空穴对，形成电流，完成对光子的探测。反过来，电子-空穴对的复合发射光子，形成半导体光源。

�统一的说法是，电子有电子的特性，光子有光子的特性，电子和光子之间相互作用又形成新的特点，半导体包含这些所有的现象。�

芯片与硅基光电子芯片

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从1940年代开始，电子学的发展最终把注意力集中在电子芯片上，后来光子学借用电子学的方法做芯片即光子芯片。光子与电子相互作用，产生光电子学，硅基光电子学Silicon Based Optoelectronics即在硅基上研究光电子学。

电子芯片从40年代就开始做了，最成功的是因特尔的Microelectronic Chip芯片。特点是仅利用电子作为信息载体。光子芯片出现在60年代，光进去后分成两路，光路在硅片上集成，仅利用光子作为信息载体。光电子芯片70年代就开始集成，到现在有50多年，主要以III-V 族材料为平台，注重光子和电子的相互作用。但是由于材料问题，产业化量产只能做到约4英寸，另一方面集成度不高，相对微电子芯片价格高，发展非常缓慢。

1940s电子芯片�

1960s光子芯片

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1990s硅光芯片

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90年代中期，研究可以把光电子器件做在硅片上，光电器件硅片化，器件制作可以与CMOS工艺兼容，产生了硅光芯片。2010年国际社会上提出新理念，将电子芯片、光子芯片、光电子芯片、硅光芯片全部集成在同一个衬底上，产生了硅基光电子芯片。目前该思路已经证明可行，做出来了25G高速光通信产品。

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2012年我写了《硅基光电子学》，研究微纳米量级光子、电子、光电器件在不同材料体系中的工作原理，以微纳形式集成在硅衬底上。它的特点是融合了微电子、光电子的特点，应用从通讯到计算、传感非常广泛。

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最近我一直在思考，从整个芯片的发展历史看，电子之间因为有强相互作用，形成了电子产业，现在都是电子产业。但光子由于相互互动弱，没有形成自己的产业。目前，与光相关的产品，除了光波导，其他基本都是光电共同作用的产物，特别是激光器、探测器，电源一拔就发射不了光。我个人认为 “光子产业”只是个概念，根本无法进入消费市场，除非把“光电产业”改名为“光子产业”。

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中国芯片产业的机遇

现在我们国家在芯片产业中确实遇到了机遇，举国上下都开始重视集成电路，到处都生产芯片建工厂，但目前都停留在集成电路上。这是解决当前问题的重要策略，但是真正研究核心芯片、卡脖子芯片的并不多。西方国家在2015年左右对传统集成电路的研究以及产品研发基本就停滞了，他们认为后摩尔时代已经来临。�我的观点是集成电路要做，但不要把99%的精力都放在集成电路，硅基光电芯片是后摩尔时代的核心技术，我们要开发新技术避免日后再被卡脖子。�微电子发展史上每一次突破都伴随着器件尺寸的缩小、耗电减少和集成度增加，这就是摩尔定律。但当晶体管数量超过10亿到了百亿几百亿的时候，漏电、延迟、功耗给集成电路带来了非常大的挑战。在90年代中期，美国半导体产业协会就已经指出摩尔定律的挑战，以至于要思考，器件尺寸是否要继续按比例缩小?摩尔定律还能不能走下去?如何保持芯片功能的持续改善？�美国半导体产业协会提出了几个持续发展的努力方向：

千兆系统研究中心 – 复杂的，异质结构(嵌入式)的片上/包上系统. (1997)
互连研究中心 – 光或其他互连方法 (1997)
材料、结构和器件研究中心 – 材料和器件
电路和系统研究中心 – 新电路，系统和软件设计
纳米功能体系研究中心 – 新型纳米功能材料和器件，新结构和新计算体系

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这里特别要提到的是互连，做芯片的都知道，芯片上要把十亿百亿的晶体管相连，绝大部分能耗都在互连。我的老板在1997年把互连研究中心落地到CMOS研究平台上，研究互连。当时有很多方法，最后研究出来用光的方法，得出了丰厚成果。2004年英特尔发布了《硅基光电子白皮书》，宣布进军硅基光电子。这反映了后摩尔时代，不需要把晶体管做的越来越小，反过来要根据不同应用来开发芯片。

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国外产业现状：目前欧美已经批量生产及应用硅基光电芯片，很多这个领域的初创或小型企业已经被收购，像LUXTERA是第一个硅光行业提出商业样品的，目前已被思科收购。国外许多通讯、计算产业的巨头已经进入这个领域，英特尔2016年推出了100G的产品，已经销售400-500万个，400G也已开始量产。

�机遇总结：现在举国上下重视集成电路，但硅基光电子芯片可能是一个更大的产业。硅基光电从商业化角度已经到了马上走量的关键时候，中国如果还不重视非常危险。硅基光电子需要微电子基础，但目前还不需要顶尖技术。另外，我国换道超车也没有太大负担。目前，大数据时代通信互连是硅基光电子最大应用领域，速率要求高，其他也有许多新兴领域，需求量很大。�中国芯片产业的挑战：概念、观念、基础、条件。目前关于电子芯片、光子芯片、光电子芯片等概念在社会中是完全混乱的，很多投资、发展方向容易被带到沟里。另外观念上中国的微电子真正重视起来就这三五年，由于这种状况集成电路微电子产业发展比较困难，硅基光电子也是这个问题。好在目前硅基光电子不需要太细的线条，45nm至少还可以使用5-10年。

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技术发展和产业建议

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毫无疑问我们要抓住机遇迎接挑战。机遇就是后摩尔时代，美国不卖给我们芯片，很多关键芯片包括低端的芯片都要自己做。不过更重要是要迎接挑战，我们不能把所有的宝都压在集成电路上，这样可能看的太窄太短距。国外90年代就已经不怎么发展传统集成电路，开始寻找突破。我们现在反而到处在建微电子厂、微电子学院，集成电路成了一级学科。�我认为应该把半导体芯片作为一级学科，半导体芯片包括了微电子芯片和光电子芯片，应该从大的框架上来讲学科。因为集成电路就是微电子芯片，而且只是半导体芯片中的一部分。而硅基光电子芯片、光电子芯片今后发挥的作用会越来越大，现在如果不考虑这部分的发展，可能在10-20年后又被卡脖子。我们的技术发展应该探讨微纳米量级光子、电子、及光电子器件在不同材料体系中的新颖工作原理，以便于硅基片上集成。同时也要发展工艺、工匠精神，提高搞工艺人的待遇。�产业建议方面，我认为要加大在硅基光电子方面的基础建设，包括科研院所的研发平台和企业型流片生产线，高等院校这方面设施都不太强。另外要重点支持初创企业，特别是真正拥有自主知识产权和专有技术的初创型企业，包括fabless。注重实业，远离风口上的“猪”。�

总结

所谓硅基光电子芯片，就是结合光的极高带宽、超快速率和高抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能耗、低成本等方面的优势，应用硅工艺平台，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级，以光子和电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电集成芯片。

一方面集成电路芯片的发展趋于饱和；另一方面，由于大数据、云计算、物联网的发展，信息高速公路体系中各层分支线路上的数据流量也大大增加。光进铜退已经延伸到了芯片内部。因此，硅基光电子芯片，作为“后摩尔时代的核心技术”，已经得到了发达国家和地区的高度重视。

硅基光电子芯片可以在算力、能耗、成本、尺寸方面带来极大的优势，不仅可用于通信设备、数据中心、超级计算、物联传感、人工智能，更有可能进军消费领域。

微电子与光电子业界的进一步深度合作，将使以硅材料为平台的大规模光电集成芯片这个高效率低成本的片上解决方案像微电子芯片一样全方位进入现代人的日常生活。�

Q&A

Q1：硅光创业投资不小，初创公司如何切入？

A：可以先从设计入手，光源、调制器、探测器等，其实单个器件集成就可以找到非常大的市场。

Q2：将硅基光电子应用到计算领域，应如何布局？主要缺少哪些方面？您觉的相关的基础软件及生态等是否需要弥补或者重构？

A：我最近刚申请下来重点项目用于人工智能的光学矩阵，希望用硅基光电计算，利用光电互连使得芯片中计算速度输出加快。另外在人工智能上，有很多图像识别用到卷积运算，基础是矩阵运算，硅基光电子就可以从矩阵运算出发，比电子运算快得多。我们测算不管在算力还是能耗方面都会比电子计算有3个数量级的提高。软件生态方面目前还没有大的提高，现在还在基础研究阶段，到产业化还早。

Q：请问数据中心光模块产业，预计到多高的速率，会切换到以硅光技术为主流呢？800G？1.6T？

A：400G有大量的应用，800G是肯定的，硅光的特点就是速率越高，特点越能显现出来。

Q：周老师，您觉得硅基光电子芯片中，哪个部分是最难的？

A：硅基光电子芯片中调制器是最难的，另一个就是片上激光器。

Q：III-V族光电和硅光是合作共赢关系？还是替代关系？

A：我认为是合作共赢关系。III-V族光电最大的困难是成本高，集成度上不去。在这两个方面限制不高的情况下，III-V族光电现在可以做。硅光的光源现在还没有很好的办法，绝大部分是把III-V激光器贴上去。