如何赶上ChatGPT快车？你想问的光子芯片或许都知道

2023-05-25 08:47

凭借着超快运算速度以及无与伦比的联想能力，ChatGPT只用了短短两个月便成为首个在2023年引起全球超高讨论度的消费类应用。在公众看来，这个已经被投喂了1750亿参数量、3000亿训练单词数的大数据模型虽然现在还只是一个无所不知无所不答的聊天机器人，但假以时日，谁能保证ChatGPT不会颠覆我们目前世界的运行法则？毕竟，“他”确确实实已经让我们窥见了未来世界的一角。

作为一项即将改变世界的技术，ChatGPT的成功搭建不仅让更多的科技企业看到了人工智能应用落地的另一种可能性，也让我们开始思考：面对前人可以说是一辈子都遇不到几次的科技大变革时，需要做好怎样的准备才能不落人后？要想回答这个问题，我们不妨先从人工智能产业链条上各个环节都不可或缺的这一枚小小芯片说起。

光子芯片：后摩尔时代人工智能的未来

从最新的市场走向来看，ChatGPT似乎已经不再满足于只做一个聊天机器人了。

日前，名声大噪的OpenAI接连放出两个重磅消息：一是ChatGPT将向所有Plus用户推出联网和插件功能，二是ChatGPT的官方App即将登录苹果iOS商店。虽然目前只有美国地区的iOS用户可以在iPhone和iPad上免费下载并使用，但OpenAI承诺，chatGPT的Android版本已在路上，这也意味着拿下两大移动生态阵营后，ChatGPT的用户将覆盖全球86．29％的人口，且随着其联网功能的实现，ChatGPT将不再只局限于学习过去的知识，而是不断吸收互联网上此时此刻正在发生的新事物，通过庞大的用户数据增长提高自身迭代升级的速度。

有人把ChatGPT高速“进化”的原因归结于人工神经网络的成功搭建。的确，对于人工智能来说，几乎所有的功能实现都离不开强大的大型数据库处理工具，这就要求计算机在没有获得明确指令的条件下，能快速高效地学习并组合分析大量信息。人工神经网络就是这种拥有自学能力的数据处理计算机。

人工神经网络得以实现的基础是大量的矩阵运算，但目前其依赖的诸如CPU、GPU等传统的电域集成芯片由于其结构上无法规避的缺陷，在处理大量的矩阵运算时，面临着带宽低、功耗大、速度慢等问题。这使得未来随着计算能力继续呈指数级别狂飙后，硬件端将产生难以想象的时间和能耗成本。

为了解决上述问题，业内企业、研究者越来越多地致力于开发新的硬件架构，以适应人工神经网络和深度学习的应用，其中就包括具有带宽大、速度快等优势的光子芯片。

随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”，光子芯片因其高速度、低能耗、工艺技术相对成熟等优势，有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈，满足了人工智能革命对信息获取、传输、计算、存储、显示的技术需求，对传统芯片形成部分替代，并在5G通信、大数据中心等领域开拓了大量新应用。

科学家普遍认为，光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息。荷兰科学家最早提出“以光子作为信息载体和能量载体的科学”。钱学森也曾在《中国激光》上著文，首次提出“光子学、光子技术和光子工业”的构想，并认为以集成光路为核心的光子计算机的运算能力可以超过电子计算机百倍、千倍乃至万倍。

与电子相比，光子作为信息载体具有先天的优势：超高速度、超强的并行性、超高带宽、超低损耗。在传输信息时，光子具有极快的响应时间，光子脉冲可以达到fs量级（飞秒量级），信息速率可以达到几十个Tb／s，传输信息容量也比电子芯片高了3～4个数量级。同时，光子也具有极强的存储和计算能力，能以光速进行超低能耗运算，据估算，随着光子芯片的逐步应用，理论上有望将数字产业能耗降低至电子芯片的千分之一，在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储及信息显示等领域催生众多新的应用场景。

EML芯片：在超算数据中心领域大放异彩

前面提到，光子芯片在光通信应用领域产业规模巨大，其位于整个光通信产业的最前端，是光模块的核心，也是技术壁垒最高的环节之一。

根据LightCounting数据，2022年全球光模块市场规模同比增长14％，并将在2027年超过200亿美元，5年CAGR达到10％。而光子芯片占光模块市场比重也将从2018年约15％的水平一举达到2025年超25％的水平，中国将成为全球光子芯片市场增速最快的地区之一。

其中，电吸收调制激光器（EML）扮演了重要的角色。EML结合了分布式反馈激光器（DFB）优异的单模性能和电吸收调制器（EAM）的高调制效率，在长距离光发射器中得到了广泛的应用，其所在的InP激光器市场在2020年度全球光芯片营收占比达到了60％。

从原理上看，EML利用了半导体材料在外激励作用下发出光的单色性以及相干光的方向性。在外界电流的激励下，半导体中的电子获得能量游离到导带，原来的位置就形成空穴。电子从高能级的导带向低能级的价带跃迁时，空穴和电子就会再次结合辐射出光子，再经过谐振腔的正反馈发出激光。

虽然EML原理复杂、工艺技术难度大，但在近年来市场需求的不断增加下，EML芯片市场活跃度依旧有明显提升，国内光通信企业纷纷推出了一系列极具竞争力的产品。

海信宽带早在2020年1月便推出了10G 1577nm EML光芯片，并成为当年最具竞争力光通信产品之一；源杰科技则表示将于年内推出100GEML激光芯片。

而就在近期，长光华芯发布了单波100Gbps（56Gbaud四电平脉冲幅度调制（PAM4））电吸收调制器激光二极管（EML）芯片。该芯片由于采用了脊波导结构，能够支持4个CWDM波长：1271、1291、1311和1331nm，允许不同波长的光信号在单个光纤中复用，从而减少了所需要的光纤数量，为信息传输和计算提供一个重要的连接平台，大幅降低信息连接所需的成本、复杂性和功率损耗。

众所周知，对于高速率WDM技术来说，使用直接调制的半导体激光器会出现啁啾现象，时间变化信号的线性或非线性的漂移使得传输效果大打折扣。而EML由于具有较高的发射光功率，能够有效的避免激光器芯片在高速调制下产生的啁啾效应，同时相较于DML及VCSEL，EML在50G以上波特率的性能表现更优，因低频率啁啾、大调制带宽的优势，成为800G超算数据中心互联的最佳选择。

谈到智能化建设，数据中心网络都是永远绕不开的话题。当前光纤通信网包含的3个领域：数据中心网、无线移动网和互联网中，数据中心网是增长速度最快的一个，其传输容量每年都能实现翻倍。同时据数据显示，数据中心网中约有71．5％的数据传输都发生在数据中心内部，随着数据中心交换芯片容量的提升及大型云计算厂商需求跟进，数据中心内部互传光模块逐渐向400G／800G过渡，预计未来5年时间，其复合增长率达到近40％，光通信行业产业链持续向满足更高速率方向演进升级。

在此背景下，长光华芯单波100Gbps（PAM4调制）EML芯片的推出符合了市场对数据中心用光芯片的高要求，具有突出的商业价值。该芯片支持四个波长的粗波分复用（CWDM），达到了使用4颗芯片实现400Gbps传输速率，或8颗芯片实现800Gbps传输速率的应用目标。芯片电吸收调制区调制速率达56GBd，可使用56GBd PAM4信号支持112Gb／s，具有阈值电流低、工作温度范围宽的优点，符合RoHS标准和Telcordia GR－468标准，为当前400G／800G超算数据中心互连光模块的核心器件。

可以说，该芯片的成功上市不仅完善了长光华芯产品链，为公司在高端光芯片市场竞争中占得一席之地，同时还使得国内光通信厂商有了更优质的国产化新选择，实现了对国家整体光芯片战略的助推。

要知道，放眼全球光芯片市场，我国当前市场份额仅有13％，欧美日等国外光芯片企业技术起步早，通过不断积累核心技术和生产工艺，逐步实现产业闭环，建立起了极高的行业壁垒。

反观国内则起步较晚，我国25Gbps及以上高速率国产化则仅有5％左右，尤其在数据中心市场及高速EML激光器芯片等领域，国内光模块或光器件厂商仍需要依赖海外的高速率光芯片，仅少部分厂商实现批量发货。

为扭转国内光芯片产业困局，中国电子元件行业协会2017年发布了《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018－2022年）》，文件明确指出我国厂商高端芯片能力比国际落后1－2代以上，且缺乏完整、稳定的光芯片加工平台和人才，导致芯片研发周期长、效率低，逐渐与国外的差距拉大，点明了我国光芯片产业当前的重点是发展25Gb／s及以上速率激光器和探测器芯片。

而长光华芯此次推出的单波100Gbps（PAM4调制）EML芯片基本已经达到了目前EML激光器芯片大规模商用的最高速率，切合了国家对高速率光芯片发展的战略需求，不仅迈出了踏入高端光芯片市场的重要一步，有望打破国外多年来的垄断，并且还为国内人工智能发展不可或缺的底层数据体系提供助力。

人工智能的最终落地离不开算力、存储、网络AI硬件这三大产业链的支撑，算力基础设施的海量增长和升级换代必将成为人工智能未来的一大趋势。以长光华芯为代表的光芯片厂商的崛起势必将成为国内AIGC商业化应用加速落地的前提，推动着数据中心技术进入一个巨大的变革时代。

光学时代来临，谁能手握入局门票

回顾光芯片发展历程，早在1969年，美国贝尔实验室就率先提出了集成光学的概念，只不过由于种种原因，直到21世纪初，以Intel和IBM为首的企业与学术机构才开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，寄希望于用光通路取代芯片之间的数据电路。因此，光子芯片技术在过去数十年内迎来了一波技术爆炸，取得了许多进展和突破，国内企业纷纷打进了光学时代竞争的资格赛。

从2010年开始，长光华芯就已经布局了磷化铟激光芯片产线，初期具备2．5G FP的批量出货能力，同时又在2020年开展10G APD和L波段高功率EML的产品研发，全面建成了高速光通信芯片的研发生产产线，并在2022年实现10G产品的批量供货。结合此次56G PAM4 EML芯片的发布，长光华芯已经实现了在光通信领域的全面横向扩展，成为国内光通信企业挺进智能化时代的又一选手，为我国占领光电子技术制高点提供助力。

那么，回到最初问题，在智能化时代的大变革中，要如何不落人后？从历史进程来看，全球科技革命是沿着机械化、电气化、信息化、智能化的演进规律和逻辑在推进的，所有能够取胜的变革赢家遵循的不外乎是这一条法则：“谁能抓住一个时代的革命性技术，谁就能够成为一个时代的领航者。”而在刚刚起步的智能化时代，光子芯片很可能就是处理海量数据亟需的基础构件，将成为像集成电路一样重要的时代证明。

基于此，我们或许也可以大胆预测一下，在这一波即将颠覆世界科技格局的人工智能“游戏”中，如果谁能掌握住光子芯片这张入局的门票，谁或许就将成为真正的赢家，从而引领未来的“消费光子时代”。