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來源：西科控股 | 2022年09月28日 13:42:15
信息產業(yè)已經催生了人工智能、物聯網、5G、大數據中心等眾多成熟的新應用場景，為光電子技術率先突破提供了強大的需求牽引。我國擁有全球領先的光電子應用場景，這是我國光電子有條件實現率先突破的獨特優(yōu)勢
近幾年，我國光電子技術在信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲和信息顯示等環(huán)節(jié)均取得了較大進展
光電子技術基于強大的物理屬性上的優(yōu)勢，將接力集成電路技術路線，成為未來信息處理和計算的主流技術路線
文 | 米磊
當前新一輪科技革命蓬勃發(fā)展，光子技術、量子計算、腦科學、合成生物、可控核聚變、人工智能、物聯網、大數據、5G等多種技術紛紛涌現，準確識別出具有革命性、基礎性、戰(zhàn)略性的技術并率先在全球實現突破，成為大國競爭的關鍵之一。
當今世界正經歷百年未有之大變局，中國在芯片領域的科技研發(fā)中，一方面需要咬定青山不放松，在相對落后的電子芯片（集成電路）方向持續(xù)追趕；另一方面，可以集中力量投入資源，前瞻性地發(fā)展光電子芯片（集成光路），開辟新賽道，爭取形成技術競爭新優(yōu)勢。
這是因為，光電子技術作為21世紀的戰(zhàn)略性、基礎性、先導性的高技術，能夠廣泛應用于人工智能、5G、量子信息、激光武器、基因測序、腦科學等眾多新興產業(yè)領域。我國光電子技術基礎雄厚，擁有獨特的優(yōu)勢，具備條件率先實現突破。
中國為什么有條件率先突破
一項技術、產業(yè)能否率先實現突破，受技術發(fā)展基礎、技術積累時間差、新舊利益格局、人才隊伍、產業(yè)基礎、市場規(guī)模等多種因素影響，是這些因素共同作用的結果。綜合這幾方面的情況來看，我國光電子技術和產業(yè)應具有率先突破的基礎。
從技術發(fā)展基礎來看，光電子是新一輪科技革命中非常有可能實現率先突破的革命性技術。
從物理學最基本的要素來看，歷次科技革命都是在物質、信息、空間、生命和能量等五大方向上持續(xù)爆發(fā)革命性技術。從技術演進趨勢來看，人類技術變革是沿著機械、電路、光學、算法的路徑演進。從現實情況看，20世紀是電的世紀，以集成電路為底層技術的信息產業(yè)革命極大地促進了人類經濟社會的發(fā)展。進入21世紀，集成電路性能趨近于物理極限，已經難以持續(xù)滿足人類社會信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲和信息顯示的高速增長需求，經濟社會發(fā)展呼喚更先進的技術路線。光電子技術依托其超高速度、超強并行性、超高帶寬、超低損耗等物理屬性上的優(yōu)勢，在傳輸速度、信息容量、計算速度、能耗等方面的性能將提升1000倍，能夠成為新一代信息產業(yè)的基礎設施和底層技術支撐。目前，新一代信息產業(yè)已經催生了人工智能、物聯網、5G、大數據中心等眾多成熟的新應用場景，為光電子技術率先突破提供了強大的需求牽引。
從技術積累時間差來看，歐美國家起步早的技術，我國追趕超越的難度大。反之，與歐美起步時間差距越小的技術，我國越具備率先突破的基礎條件。
發(fā)展以硬科技為代表的主導技術需要長時間的積累，持續(xù)不斷的工程經驗積累和產業(yè)應用生態(tài)培育至關重要，需要完整經歷“從零到一”“從一到百”的升級迭代過程。在發(fā)動機、渦輪機、基礎材料化學等技術領域，歐美國家擁有上百年的先發(fā)優(yōu)勢。上一輪科技革命中的半導體技術，歐美國家擁有數十年的先發(fā)優(yōu)勢，且形成了集成電路技術生態(tài)、產業(yè)生態(tài)和應用生態(tài)。但在光學技術領域，我國基本與美西方處于同一起跑線，特別是全球光電子產業(yè)生態(tài)和應用生態(tài)還未形成，我國有機會形成以中國為主導的生態(tài)體系，實現全面引領。
從新舊利益格局來看，新舊技術的利益博弈是新技術推廣落地的一大影響因素。
舊有技術既得利益者由于多年的技術積累和巨大的資金投入，不愿意舍棄在傳統(tǒng)技術上的既得利益，有可能“雪藏”最先進的技術或推遲最先進技術的產業(yè)化。目前，在光電子領域，歐美發(fā)達國家同樣面臨新舊技術的利益博弈，很多巨頭仍想守住集成電路領域的既得利益而不愿推動光電子技術。與之相比，中國在集成電路領域沒有既得利益的負擔，更愿意發(fā)展新技術，這就為我國光電子芯片率先突破提供了條件。
從產業(yè)基礎來看，我國擁有全球規(guī)模最大的光電子信息產業(yè)。
2020年光子學市場數據和行業(yè)分析報告顯示，中國光子產業(yè)的全球市場份額從2005年的10%增長到2019年的30%，光子產業(yè)復合增長率保持著10%以上的高增長速度。中國大陸光子產業(yè)規(guī)模和產量已領先于歐洲、北美、日本、韓國和中國臺灣地區(qū)，產業(yè)規(guī)模位列全球第一。巨大的產業(yè)規(guī)模能夠產生巨大的規(guī)模效應、市場帶動效應。我國依靠自身市場規(guī)模和應用場景有能力有條件打造國內光電子產業(yè)內循環(huán)體系，并以此為基礎以國內循環(huán)帶動國際市場循環(huán)。
從市場基礎來看，我國擁有全球領先的光電子應用場景，這是我國光電子有條件實現率先突破的獨特優(yōu)勢。
科技強最終的落腳點是產業(yè)強，一項技術再先進、再領先，沒有應用場景的支撐，也難以產生實際的作用。我國人工智能、物聯網、智慧城市、5G通信等領域發(fā)展迅速，為光電子提供了廣泛的應用場景。應用場景的領先，能夠支撐我國光電子技術的持續(xù)迭代升級，激發(fā)強大的技術迭代活力，從而為引領全球光電子信息產業(yè)變革提供了條件。
觀眾在第十八屆“中國光谷”國際光電子博覽會上參觀（2021年10月27日攝） 伍志尊攝/本刊
哪些領域有突破
近幾年，我國光電子技術在信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲和信息顯示等環(huán)節(jié)均取得了較大進展。
在信息獲取領域，我國涌現出炬光科技、摩爾芯光、瑞識智能、唐晶量子、洛微科技、速騰聚創(chuàng)等一批光傳感領域的高精尖特企業(yè)，在激光雷達科研和技術上不斷取得突破。中國科學技術大學科研團隊在相干測風激光雷達方面實現重大突破，首次實現3米和0.1秒的全球最高時空分辨率的高速風場觀測。洛微科技2021年發(fā)布的第二代FMCWSoC光子芯片，是目前全球單顆芯片集成度最高的硅光芯片之一。法國市場調查公司Yole Développement發(fā)布的《2021年汽車與工業(yè)領域激光雷達應用報告》中，中國5家企業(yè)的市場應用份額進入全球前十。尤其值得注意的是，我國激光雷達企業(yè)與汽車廠家已經形成高度結合的良性循環(huán)生態(tài)，產業(yè)應用生態(tài)業(yè)已形成。
在信息傳輸領域，我國實現了領先發(fā)展。在全球光網絡傳輸速度從100G向200G/400G提升的過程中，華為于2020年發(fā)布了全球首款800G可調超高速光模塊，單纖容量達到48T，比業(yè)界方案高出40%，傳輸距離也比業(yè)界提升了20%。2021年，國家信息光電子創(chuàng)新中心、鵬城實驗室、中國信息通信科技集團光纖通信技術和網絡國家重點實驗室、武漢光迅科技股份有限公司，在國內率先完成了1.6Tb/s硅基光收芯片的聯合研制和功能驗證，實現了我國硅光芯片技術向Tb/s級的首次跨越。
在信息處理領域，我國全面開花。中國科學技術大學潘建偉團隊與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，比日本富岳超級計算機速度快了近100萬億倍，比美國懸鈴木量子計算機速度快了100億倍。中國科學技術大學郭光燦團隊在光量子芯片領域取得重大進展，首次在拓撲保護光子晶體芯片中實現量子干涉，推動了我國光量子芯片量產進程。北京大學王興軍教授團隊近日在光子集成芯片和微系統(tǒng)方面取得了重大突破，解決了由集成微腔光梳驅動的新型硅基光電子片上集成系統(tǒng)的難題。由中科院西安光學精密機械研究所趙衛(wèi)研究員領銜的大規(guī)模光子集成芯片B類先導專項，致力于開發(fā)集成器件大于2000的大規(guī)模光子集成芯片，并最終實現了15408個器件的大規(guī)模集成，集成規(guī)模世界領先。在光子計算芯片產業(yè)化方面，曦智科技設計出了全球首款光子計算芯片原型板卡，最新的單個芯片可集成12000個光子元器件，在研的光電混合AI計算芯片，性能有望超越主流先進制程電子芯片英偉達A103到5倍。
在光存儲方面，郭光燦團隊在光量子存儲領域取得重要突破，將光存儲時間提升至1小時，大幅度刷新了2013年德國團隊光存儲1分鐘的世界紀錄。近日該團隊李傳鋒、周宗權研究組基于自主加工的激光直寫波導，實現了光子偏振態(tài)的可集成固態(tài)量子存儲，存儲保真度高達99.4±0.6%，顯著推進了可集成量子存儲器在量子網絡中的應用。
在光顯示領域，我國激光顯示關鍵材料、器件與應用技術不斷取得突破。在光源設計、光機模組、整機設計等關鍵技術方面實現了領先；在激光器、成像芯片、鏡頭等核心部件的研發(fā)方面正快速縮短與國外的差距；在整機制造方面，中國企業(yè)已經探索出了成熟的技術，積累了相當的經驗。中國工程院院士許祖彥、中科激光總工程師畢勇領導的中國科研團隊，創(chuàng)造性地提出了紅綠藍三基色半導體激光顯示概念，技術躋身全球第一梯隊。賽富樂斯公司推出的4英寸半極性氮化鎵材料，良率高達95%，成為全球首家可以量產工業(yè)級半極性氮化鎵材料的硬科技企業(yè)，公司還成功點亮半極性綠光LED芯片，解決了下一代顯示屏幕MicroLED的色彩問題。2021年10月，賽富樂斯成功開發(fā)了像素尺寸為2微米的全彩MicroLED陣列，取得了AR顯示領域的一次重大突破，成為業(yè)界唯一一款批量在售的量子點MicroLED芯片，在全球率先實現這一技術從實驗室成功走向商業(yè)化。
對全球芯片格局的影響
根據國際半導體產業(yè)協會的分類，全球半導體主要分為四類，分別是集成電路、光電子、分立器件及傳感器。光電子芯片對電子芯片是一種升級的關系，這種關系使兩者存在多種形態(tài)的競爭，如果我國光電子芯片取得突破，將對全球芯片格局產生多方面的影響。
一是光電子芯片可在電子芯片性能遇到瓶頸的領域形成替代。
傳統(tǒng)電子芯片的主要應用場景是在信息處理和計算領域。美國經過數十年的積累，在全球信息處理和計算領域擁有控制力，擁有英特爾、英偉達、高通、超微半導體等一大批全球處理器龍頭企業(yè)。無論是電腦、電視、手機、汽車電子產品等底層芯片，還是基于芯片衍生的軟件、操作系統(tǒng)等，美國都把控著全球消費電子的“命門”。隨著經濟社會發(fā)展對算力的需求持續(xù)增加，以及集成電路物理屬性將達到極限限制，摩爾定律算力供給已經難以滿足未來AI對算力的需求。過去10年，AI領域對算力的需求增長超過了30萬倍，未來人類社會對算力的需求仍將繼續(xù)增長，這將推動全球信息處理和計算領域的變革升級。光電子技術基于強大的物理屬性上的優(yōu)勢，將接力集成電路技術路線，成為未來信息處理和計算的主流技術路線。
二是未來信息產業(yè)新增市場更多依靠光電子芯片，全球半導體內部格局將重塑。
信息時代的基礎設施是電子芯片，人工智能時代將更多地依托光子芯片。2021年全球半導體市場規(guī)模為5560億美元，其中集成電路市場規(guī)模為4630.02億美元，占全球半導體市場規(guī)模的83.29%；光電子芯片市場規(guī)模為434.04億美元，占全球半導體市場規(guī)模的7.81%。從當前全球半導體市場格局來看，集成電路在全球半導體市場中仍舊占據主導地位。但是用發(fā)展的眼光來看，隨著人工智能、物聯網、AR/VR、大數據中心等新興產業(yè)的崛起，光計算、光傳感、光顯示、光存儲等技術需求將迎來爆發(fā)式增長，如計算領域的AI光子計算芯片，傳感領域的激光雷達、手機3D感測VCSEL芯片，存儲領域的全息光存儲，顯示領域的AR光波導芯片等，都是智能時代的新增市場，只能用光電子芯片來解決。因此，光電子芯片在全球半導體市場中的占比勢必將大幅提升，以光電子芯片為底層支撐的“消費光子”也將逐漸取代以集成電路為支撐的“消費電子”，成為全球信息產業(yè)的“主戰(zhàn)場”，為一些國家創(chuàng)造“換道超車”機遇。
三是光電子芯片突破后，全球半導體競爭將形成相互制約的格局。
美國對全球信息產業(yè)的控制力和影響力，來源于其抓住了信息產業(yè)的底層技術——集成電路，掌握了芯片設計、研發(fā)、制造的核心能力，并由此帶動下游產業(yè)發(fā)展，形成了從底層技術到芯片制造再到下游產業(yè)鏈的完整產業(yè)生態(tài)，由此構建了以美國為中心，逐漸向全球擴散的全球半導體格局。當前，在全球范圍內，光電子芯片的核心技術壁壘還未形成。我國在光電子芯片應用場景上的優(yōu)勢，能夠反向牽引我國光電子技術的持續(xù)迭代升級。我國有望在人工智能時代打造出以中國為中心，逐漸向全球擴散的光電子芯片格局，在新的賽道中占據主導地位。
在中國國際工業(yè)博覽會上展出的衛(wèi)星模型（2020年9月15日攝） 張建松攝/本刊
經濟的新領域新賽道
得未來者得天下，未來全球產業(yè)制高點的競爭領域之一就是光電子領域。集成電路是信息產業(yè)的基礎設施，光電子芯片是人工智能、物聯網、5G、無人駕駛、元宇宙等未來產業(yè)的基礎產業(yè)和基礎設施。光電子芯片是基礎性、引領性產業(yè)，是未來產業(yè)中的“根技術”。正如位于底層的集成電路支撐起數萬億美元市場規(guī)模的硬件產業(yè)，帶動數十萬億美元市場規(guī)模的互聯網和大數據產業(yè)，未來，光電子技術作為革命性的“根技術”，將能夠催生數萬億美元級市場規(guī)模的“樹干”產業(yè)，帶動數十萬億美元市場規(guī)模的“葉”經濟，成為未來全球經濟增長的新動力和主戰(zhàn)場。光電子產業(yè)也能夠為我國經濟發(fā)展開辟眾多新領域新賽道，助力我國形成新優(yōu)勢。
一是光電子芯片將催生千億美元級直接市場，帶動萬億美元級的5G和數據中心產業(yè)。
25GDFB激光器芯片是5G的基礎。根據光通信行業(yè)市場調研機構LightCounting的測算，2021年全球25G及以上光芯片市場規(guī)模為107.55億元。當前，我國25G光芯片國產率約為20%，25G以上光芯片國產率僅為5%。未來25G及以上速率芯片的突破，能夠為我國帶來近百億元的直接市場規(guī)模，支撐近萬億元的5G產業(yè)發(fā)展?！吨袊?G產業(yè)發(fā)展前景預測與產業(yè)鏈投資機會分析報告》中的數據顯示，到2030年5G帶動的直接產出和間接產出將分別達到6.3萬億元和10.6萬億元。隨著5G產業(yè)中孕育的未來產業(yè)逐漸崛起，反過來又將進一步支撐光電子芯片的市場規(guī)模向千億級邁進。根據英國市場研究公司Technavio的預測，到2025年全球數據中心市場規(guī)模將達到5193.4億美元，屆時硅光芯片的直接市場規(guī)模也將獲得巨大增長。
二是光電子芯片將催生萬億級衛(wèi)星互聯產業(yè)。
傳統(tǒng)地面通信由于物理空間的限制無法覆蓋全球，與之相比，衛(wèi)星互聯網技術作為一種顛覆性通信技術能夠提供全球網絡覆蓋。特別是以激光通信為基礎的星間激光鏈路和星間信息傳輸，將成為衛(wèi)星互聯網未來的主戰(zhàn)場，它將成為低軌衛(wèi)星網絡的標配荷載和基礎。衛(wèi)星激光通信技術作為底層技術，能夠帶動太空通信產業(yè)的崛起。目前全球產業(yè)龍頭正在加快布局，如美國太空探索技術公司（SpaceX）的“星鏈”計劃擬共計發(fā)射4.2萬顆衛(wèi)星組建全球衛(wèi)星互聯網。2021年底，SpaceX已首次在“星鏈”衛(wèi)星上使用了激光通信設備，并計劃在未來發(fā)射的所有“星鏈”衛(wèi)星中都配備星間激光鏈路。全球商業(yè)航天企業(yè)規(guī)劃的未來發(fā)射的衛(wèi)星數量大約為6萬顆，一旦各類衛(wèi)星組網成功，星間鏈路建成后，激光通信將成為衛(wèi)星通信的主航道，孕育萬億級的市場規(guī)模。
三是光電子芯片將孕育萬億級的光計算產業(yè)，催生數十萬億的“消費光子”產業(yè)。
根據國際半導體產業(yè)協會的統(tǒng)計數據，2021年全球集成電路市場規(guī)模為4630.02億美元。按照1元基礎電路產值帶動10元電子產品產值和100元國民經濟的增長，集成電路帶動了全球約4.6萬億美元的消費電子產業(yè)，帶動了全球46萬億美元的經濟增長。未來，隨著光計算芯片取得突破并逐漸取代電子芯片，將催生萬億美元級的光子計算芯片產業(yè)，撬動下游數十萬億美元的“消費光子”產業(yè)。這對重塑全球信息產業(yè)格局具有戰(zhàn)略意義。
四是光電子芯片將催生萬億美元級元宇宙產業(yè)。
光電子芯片能夠滿足元宇宙的信息輸入和輸出需求，是實現人與機器、虛擬與現實信息交流的接口。彭博行業(yè)研究報告預計，元宇宙將在2024年達到8000億美元市場規(guī)模。普華永道預計，元宇宙市場規(guī)模在2030年將達到1.5萬億美元。從當前來看，VR、AR及MicroLED是未來元宇宙的主要戰(zhàn)場。根據數據分析公司Statista發(fā)布的報告，2018年全球AR/VR市場規(guī)模為267億美元，預計到2025年將達到8147億美元，2019年至2025年復合增長率為63.01%。
五是光電子技術能夠催生光傳感等諸多新領域。
光電子技術作為信息獲取的底層技術，能夠支撐激光雷達、垂直腔面激光器（VCSEL）、3D傳感等技術發(fā)展。在消費光子、紅外成像、無人駕駛、光探測、光感知等領域，能夠催生一大批新的市場應用，涵蓋軍事、國防、深空探測、機器視覺、科學儀器、量子通信、工業(yè)化自動化，以及機場、地鐵、海關等危險爆炸物檢測等。固態(tài)激光雷達將在無人駕駛、安防、機器人、工業(yè)應用、物聯網等行業(yè)有著廣泛的應用。
此外，光電子芯片在精密制造、生命科學以及國防軍工等領域，也將催生眾多應用市場。如在精密制造領域的超快激光加工技術，生命科學領域的基因測序、腦科學、神經網絡、醫(yī)療診斷等方面，國防軍工領域的高超音速導彈、激光武器等方面，均會有廣泛應用。
創(chuàng)新主動權、發(fā)展主動權必須牢牢掌握在自己手中。未來，在國家戰(zhàn)略級的部署和中國光電人的努力下，我國一定能夠贏得光電子芯片的主動權，率先打造出世界級的光電子科技創(chuàng)新體集群。中國未來將迎著希望之光，率先邁進人類社會的“光子時代”。 （作者為陜西光電子先導院執(zhí)行院長）■
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