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专家声音:硅基光电子芯片——换道超车的核心技术
发布时间:2018-04-28 点击次数: 202

       近日,美国商务部表示,由于中兴违反美国政府的出口禁令和去年达成的和解协议,所以将对该公司执行为期7年的出口禁令,任何美国企业都不允许向中兴出售、提供任何零部件、商品、软件和技术。对于这一禁令,业内人士表示现在看来中兴无法在脱离美国技术之后维持7年的运营,甚至有人认为这个禁令会影响“中国制造2025”的实现。

       对此,北京协同创新研究院(以下简称“研究院”)光电子集成实验室主任、“硅基单片集成100Gb/s光收发模块”项目负责人、北京大学周治平教授,作为在微电子、光电子、光通信领域摸爬滚打了近50年,目前仍然奋斗在研发工作第一线的芯片技术专家,针对中国目前所面临的困局,通过几天的思考和总结,他提出如下观点和建议与大家分享。

       1、什么是大家所关心的核心芯片

       核心芯片是将高性能、低能耗的功能器件和系统通过大规模半导体集成的方式制作在单一衬底上而形成的系统级芯片。其特点是高性能、低能耗、大规模集成。因此,低性能和小规模集成的芯片都算不上核心芯片。我国目前能够制作的大部分都是这些非核心芯片。

       核心芯片又分为微电子和光电子两种芯片。微电子核心芯片包括中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列、数模/模数转换器、放大器、驱动器等等。光电子核心芯片则包括光电子收发器、开关路由器、光学相控阵、激光器阵列、探测器阵列、复用/解复用器等等。

       需要特别注意的是,经过50多年的研究与开发,微电子芯片的发展基本上接近尾声。而光电子芯片,特别是硅基光电子芯片,则是以“后摩尔时代的重要技术”、“颠覆性技术”的姿态,在近10年得到发达国家和地区的高度重视。

        2、“为什么持续投入仍然掌握不了核心技术”的反思

       中国在微电子芯片刚面世时就有介入,北京大学王阳元教授、中科院半导体所王守武研究员等都是当时的领军人物。在微电子领域,国家至少有过4次大规模的投入:上世纪70年代的“大办电子工业”,90年代“908、909工程”,2008年启动的“核高基”国家科技重大专项,2014年成立的“国家集成电路产业投资基金”。然而,中国不仅至今没能掌握核心芯片技术,就连普通一般性的芯片外购比例也越来越高。这一奇特现象值得好好反思。

       学术界和企业界有许多观点,比如投资不大、补贴不够、认识不足、外界封锁等等。但周治平教授作为一个一线的资深研发人员,以其近50年的从业经历认为,关键的问题在于:

       1)芯片研制人才/项目没有受到重视

       在70年代“大办电子工业”的号召下,6名创业者白手起家,没有花政府一分钱投资,创办了一个特殊半导体器件工厂,在一年的时间里制造出特种半导体器件BT31-BT35系列,7年内发展到60多人并开发出外延工艺,其利润和影响远超当地的重点企业轴承厂和氮肥厂,创造了地区经济的一个奇迹。然而,由于没有得到重视和支持,加上核心成员离开,该厂最后还是以关门结束。

       2)政策及方案制定者缺乏实践经验和国际视野

       1996年,周治平教授有机会回国调研了国内的微电子、光电子发展状况,并从1997至今,多次向政府有关部门建议加强微电子基础建设、建设光电子芯片研究中心、通过发展MEMS和硅基光电子来实现换道超车等,结果都是与相关领导见了一面,稍微推动一下,就被边缘化了。

       2004年到2014年间,周治平教授作为全职留学回国人才,连续11年参与或牵头立项/申请以“硅基光电子/微纳光电子集成”为主题的973项目,希望能铸就“中国光电芯”,却仅仅获得80万元人民币的预研支持。如果2004年就能有一个“硅基光电子”方面的973项目,中国对这一核心芯片技术的掌握程度就可想而知了。

       2014年,周治平教授研制出国内的第一款“100Gb/s硅基光调制发射和光相干接收芯片”,却一直找不到合适的投资来进行商业化。而这款芯片的美国供应商,其30%的芯片就是供给中兴通讯。如果中兴在2014年直接投资周治平教授的研发成果,只需要2017年中兴被罚款的1/20,就可以让中兴掌握一项至关重要的核心芯片技术,也可能使今年的禁令威力大减。

       3)没有一个尊重创新、可持续发展的产学研用体系

       回国工作的14年中,周治平教授参加了许多重要项目的研讨、立项、申请和评审,明显感觉到那种为个人及团队争取经费而忽略前沿方向的倾向,正如徐匡迪院士曾经表达过的:颠覆性技术都被“专家”投没了。虽也抗争,却无能为力。

       而在更为基础的培养务实型、创新型硬件人才方面,整个社会和教育体系基本上是一败涂地。只要听听这样的说法就够了:“目前整个中国的大学里只有两个专业,一个是软件,一个是金融”。

       周治平教授通过他个人的经历及感受,反应了核心芯片的研制过程并没有得到足够重视这一事实。因此,周治平教授建议有关方面对政府过去的投入进行务实统计,把投入/产出比作为关键指标之一,对获得经费较多的个人和单位,审核其在核心技术的开发应用方面都做了些什么样的实际贡献,确定好钢是否真的用在刀刃上。同时,他建议政府反思一下社会引导和人才培养的目标,希望“硬件技术是信息社会的不可缺少的重要基础”这一观点能够得到最高层的重视和强大的资源支持。

       3、解决核心芯片问题,大量投入硅基光电子芯片这一换道超车的核心技术

       半导体行业协会数据显示,中兴约30%-40%的核心芯片和器件依赖美国。这包括了微电子核心芯片和光电子核心芯片。如何解决微电子核心芯片的问题,上面的内容已经给出。其他专家、学者、网民也都支了很多招,这里就不再赘述。周治平教授重点呼吁:大量投入硅基光电子芯片、大量投入硅基光电子芯片、大量投入硅基光电子芯片。重要的事再说三遍。

       所谓硅基光电子技术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。

       众所周知,指导微电子发展的“摩尔定律”基本失效,集成电路芯片的发展趋于饱和。在另一方面,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,使用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法,将微纳米级光子、电子及光电子器件集成在同一硅衬底上,形成硅基光电子芯片,也就得到了发达国家和地区的高度重视。

        实际上,中兴、华为目前生产的通信设备中,超过60%的零部件是光电子器件及芯片。在美国宣布制裁中兴后,中兴通讯的主要美国供应商股价均出现大幅下跌。其中中兴采购量占自身出货量30%的Acacia通信公司表现最为惨烈,股价直接暴跌35.97%。而Acacia通信公司就是世界上第一家凭借硅基光电子技术成功上市的芯片公司。目前,这种硅基光电子芯片不仅用于中兴、华为以及其他世界顶级通信公司的产品,也用于思科、微软、脸书、谷歌、亚马逊、阿里巴巴等高科技公司的产品及其巨型数据中心。

       可想而知,如果在几年以后,硅基光电子芯片在支撑信息社会的关键设备和数据中心得到大量应用,而中国在这项颠覆性技术中还像个小学生,那么美国的一纸禁令扬起的波涛可能要比现在的还要猛烈得多。

       幸好,几年前国内相关政府部门和企业界已经认识到硅基光电子芯片的重要性,并且已经做了一些基础布局工作。而学术界则起步更早:周治平教授1997年在美国就开始硅基光电子芯片的研究工作;从2002年起,他不遗余力地将这一技术向国内科研院校,相关企业进行推广和介绍,包括举办会议、讲座、暑期学校和撰写专著等,并带领北大团队在2014年研制出国内的第一款“100Gb/s硅基光调制发射和光相干接收芯片”。

       综上所述,如果政府能够像重视微电子芯片那样去重视硅基光电子芯片,只要1/3的投资强度,在高效配置资金的条件下,中国就有可能在几年之内,在硅基光电子芯片这一换道超车的核心技术上,赶上并超越世界先进水平。

       附:人物介绍

       周治平 北京协同创新研究院光电子集成实验室主任,电子先导院光电集成首席科学家、北京大学教授。1993年获美国乔治亚理工学院博士学位,1987年至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资深研究员及CMOS工艺中心主任。2005年全职回国后,曾任武汉光电国家实验室主任助理,华中科技大学微纳光电子学系主任。研究领域包括微电子、纳米光电子、硅基光电子、光电子集成、光传感、及光通信等。

       “硅基单片集成100Gb/s光收发模块”项目介绍

       由周治平教书承担的研究院“硅基单片集成100Gb/s光收发模块”项目充分利用硅基微电子成熟的工艺技术,具有高密度集成、价格低廉以及光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性等优势,已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。该项目选择了完全自主知识产权的技术路径,采用二维光栅复用方式获得TEM偏振光,避免了国外方案中偏振旋转器、和束器的高加工难度,以及对TM偏振光的要求。该项目技术水平国际领先,填补了国内空白,相干系统抗噪性、抗色散性能好,目前适用于数据传输量大、传输距离长的骨干网中。未来随着城域网和接入网数据量的提升,也将成为首选芯片。目前该项目研发工作即将完成,正在拟定产业化方案。