光子时代：光子产业发展白皮书

PHOTONERA:WHITEPAPERONTHEDEVELOPMENTOFPHOTONINDUSTRY 光子时代：光子产业发展白皮书PHOTON ERA: WHITE PAPER ON THE DEVELOPMENT OF PHOTON INDUSTRY 光子产业发展白皮书编委会 特邀顾问 赵卫中国科学院西安分院分党组书记、院长，陕西省科学院院长 白皮书编委 米磊中科创星创始合伙人，西安光机所研究员 曾慧涛西科控股董事长、总经理 李浩中科创星创始合伙人 杨军红光电子先导院总经理，广东硬科院常务副院长 中国科学院西安分院科技处副处长（主持工作） 李妍西科控股副总经理 王峰西科控股副总经理袁 博中科创星合伙人 王成追光硬科技副总经理 赵瑞瑞西科控股政策研究总监，硬科技智库副院长 编写组 组长：赵瑞瑞 主要编演人员：《排名不分先后） 张思申董家宁侯文鹏李娜石晶纪喆李彦侯自普武慧童李彩侠陈冯凡刘伟刚柏帆于博洋艺 声明： 本书版权归白皮书编委会所有，仅供学习、参考、交道之用，未经允许，禁止酬印及用于商业用途，如有资料需求，请与本书编写组联系。 CCNTE录TS （一）技术革新带来的产业革命周期为50一60年（二）科技革命沿着机电光算逻辑演进，21世纪将是光的世纪07（三）光子技术是半导体领域60年一遇“换道超车”的机遇08 二、光子产业发展的意义和趋势。09 （一）光比电的优势...（二）光子学发展重要节点（三）光子产业发展趋势预判 三、光子产业发展现状.13 （一）全球光子产业发展现状.（二）国内光子产业发展现状.应用篇 、光子制造、20 （一）光刻机20（二）超快激光制造22（三）激光增材制造25 二、生物光子27 （一）基因测序（二）流式细胞术29（三）光学相干断层扫描技术（四）光遗传学疗法33（五）重离子疗法36 三、光子信息38 ）光任感光通信：（三）光计算.（四）光存储。（五）光显示53 P前EFA言E （一）光伏发电. 58（二）激光武器，. 60（三）激光惯性约束核聚变. 61 文/米磊 随着全球集成电路产业发展进入“后摩尔时代”，其进一步提升的难度与时间成本都非常之高。在面向“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术里，光子芯片已进入人们的视野。其所具有的高速度、低耗能、工艺技术相对成熟等优势，能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈，满足新一轮科技革命中人工智能、物联网，云计算等产业对信息获取、传输、计算、存储、显示的技术需求。国际巨头正投入大量资源进行研发，目前已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。 五、空间光子. 62 （一）光学遥感..（二）卫星互联网分析篇，67 对我国而吉，既要在传统赛道电子芯片领域尽快补短板，世要尽早在光子芯片等新赛道布局发力。双管齐下， 一、国内四大新兴光子产业城市分析. 68 光子学是与电子学平行的科学 （一）武汉：打造“世界光谷”. . 68（二）西安：引领“追光时代”（三）苏州：迈向“高光之城”（四）无锡：构建“光子芯谷” 芯片是人类信息技术史上的一次变革性突破。从石器时代的壁画、岩面，到农业时代的竹简、活字印刷术，再到工业时代的电话、电报、电视，人类信息生成、传输、处理、存储等载体发生了多次变革，从本质上讲，芯片就是通过利用率导体材料的物理特性来实现对承数信息的微观粒子（电子或光子等）的操控，进而实现信息生成、传输、处理、存结等的一种关健技术： 电子芯片是利用电子来生成、处理和传输信息的，光子芯片则是利用光子来生成、处理、传输并显示信息的。 二、光子产业发展结论与建议.70 自19世纪末，20世纪初物理学发现电子以来，人类开辟了电子技术的新时代。通过在半导体材料上对电子进行操控，人类实现了通过电子来生成、处理和传输信息，实现了信息技术的跨越式发展。从首个电子管被制造出来，到晶体管诞生，半导体技术不断发展，直到集成电路被发明出来，电子芯片成为现代信息技术的基石，推动人类社会进入了微电子科技时代。电子芯片诞生以来，经过六七十年的发展，围绕它已形成一个成熟、虑大的产业体系，带动了信息产业、软件行业和消费电子产业的高速发展，催生了CPU、操作系统、PC、手机、笔记本电脑等数万亿的产值以及下辨互联网、人工智能等应用领域数十万亿的产值。 （一）我国光子产业发展各环节存在的问题. 70（二）我国光子产业发展的路径选择 三、陕西光子产业发展的实践探素. 73 “光子学是与电子学平行的科学。”科学家善遍认为，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“以光子作为信息裁体和能量载体的科学”。中国科学院西安光机所首任所长祖同院士（学部委员）在1978年9月召开的第2届全国高建摄影会议的发言中提到：激光间世以后，与其联系着的光子学逐步成长。1979年，钱学森教授在《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。 电子学有四个基本要素，分别是作为载体的电子、作为传输介质的电缆和电路、发电机和品体管。与之对应，在光子学中借息载体是光子，传输介质是光波波导和光纤，微光发射器好比发电机，光电调制元件相当于电子开关和电子品体管。 从发展路线来看，电是从电学开始到电子学，再到电子回路、电子集成、电子系统、电子工程，最后到电子产业。光是从光学开始到光子学、光子回路、光子集成、光子系统、光子工程，最后到光子产业。根据底层的科学逻辑可以判断，人类一定会进入微光子学时代，利用微光子技术进行元器件的大规模集成必定会实现。 电于态片已有大七十年的发展。产业已醛相对成胍，但电于范片都仍能有一旦不可实破解激。 是以电子为载体的技术发展已趋近物理极限。当下集成电路是以硅为基础材料的，硅原子的直径约为0.22纳米，当制程降至7纳米以下时，极易出现电涌和电子击穿间题，也就是已经很难完美地控制电子了，虽然代表全球最顶尖水平的台积电仍在不断地进行3纳米及2纳米的技术研发及产能投资，但业内人士普遍认为集成电路的尺寸微缩最多到2030年就会达到物理极限，虽需寻找创新发展的出路。 之一。虽然国内外学术界和工业界进行了大量努力，但由于CMOS半导体功耗密度已接近极限，所以必须寻找新途径、新结构、新材料： 光子芯片是中国的重大战略机遇 科技发展史印证了一个事实：谁能折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。英国利用机械革命实现了对古代中国的超越，美国利用电子技术实现了对英国的超越。中国要实现中华民族伟大复兴，需要抓住光子技术革命的机遇。 三受过去几十年中处理器的性能以每年约55%的速度提升，面内存性能的提升速度约为每年10%，长期累积下来，不平衡的发展速度造成了当前内存的存取速度严重滞后于处理器的计算速度，访存颈导致高性能处理器难以发择出应有的功效。简单来讲，就是大量信息存储不过来、计算不过来。 一轮科技革命红利扩散的周期大约为60年，从20世纪60年代开始，集成电路作为革命性技术推动了信息化的发展，到现在已经过去了60年，开始进入科技红利扩散的衰退期。2008年以美国金融危机为代表的全球经济衰退，本质上就是上一轮科技革命推动力衰退的体现。 因甚电子芯片性能提升的同时，性价比在降低。业界追认为，28纳米是芯片性价比最高的尺寸。根据SEMI国际半导体产业协会的芯片主潼设计成本模型图，采用FinFET工艺的5纳米芯片设计成本已是28纳米工艺设计成本的近8倍，更复杂的GAA结构的设计成本只会更高，这仅是芯片设计、制造、封装、测试中的设计环节。制造环节的品圆代工厂的研发、建厂、购买生产设备耗费的资金会更多，比如三星在美国得克萨斯州计划新建的5纳米品圆厂预计投资高达170亿美元。 域新的底层技术支撑， 目前，全球光子芯片产业刚刚起步，作为独立于电子集成技术的新集成技术，其技术壁垒还没有形成，这为我国光子芯片提供了足够的研发时间与市场空间，也为我国信息产业发展提供了巨大的机会， 光于相模电于其有超高殖度、避高带宣、离筛脂糖和制激并行度力等优势。光于芯片可以在一能程度上舞决电子芯片的快消。 近年来，我国在光子集成方面取得了一定的进展，着眼于光子集成技术实施了一系列重大研究计划，包括973、B63、国家自然科学基金重大项目等。虽然过去国内在相关技术领域处于落后状态，但随着研究基础的加强及技术人员的不懈努力，目前国内已经具备了光子集成芯片研究条件，并且拥有巨大的光子芯片市场前量。 有物理基础的人应该知道，电子是费米子，是有质量的物质，所以在传输信号时会因为质量的惯性产生较多的能量损耗：光是玻色子，是物质之间的相互作用力，静止质量为零，传输信号时能量损耗小。 一是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（飞秒）量级，信息速率可以达到几十个Th（太字节）/s，性能能够提升数百倍。二最光子具有极高的信息容量，比电子高3"4个量级，采用光交互系统的新型使能技术可以实现低交换延迟和高传输带宽。三是光子具有极强的存储和计算能力，能以光速进行超低能耗运算。四美具有极强的并行和互连能力。光子是玻色子，不同波长的光可用于多路同时通信。五是光子其有超低的能耗表现：1bit（比特）信息的能耗，光子器件比电子器件低3个数量级，仅为电子器件的千分之一 芯片由电到光的转换。是我国实现在制的战略机摄退 在基础理论方面，中国与美国基本处于同一水平。现代光学理论源于爱因斯坦的原子辐射研究，基于爱因斯坦的研究设想，美国科学家于1960年发明了世界上第一台红宝石激光器。1961年，中国科学院长春光机所就研制出了中国第一台红宝石激光器。自现代光学产生以来，我国始终保持着持续的投入和研究，在基础理论研究方面一直与美国齐头并进。 在技术方面，中外各有优势。比如，在光子集成技术研究方面，我国中科院西安光机所、中科院微电子所、中科院半导体所、上海微系统所和上海交大、清华大学、浙江大学，华中科技大学等都进行了长期研究，国家针对光子集成技术也实施了一系列重大研究计划，在光子集成技术方面取得了很大的成就。我国2016年启动的B类先导专项一一大规模光子集成芯片致力于开发集成器件大于2000的大规模光子集成芯片，并最终实现了15408个器件的大规模集成，集成规模世界领先。在光子芯片设计水平方面，我国处于世界一流本平，例如腰智科技设计出了全球首款光子计算芯片原型板卡，最新的单个芯片可集成12000个光子元器件，在一些算法的实测性能已超过英伟达GPU的100倍，在光子计算领域领先国外。洛微科技发布了目前集成度最高的多通道FMCW激光雷达SoC光子芯片，单个芯片上可集成3000多个光子元器件，是目前全球单颗芯片集成度最高的硅光芯片之一。 如今，科学家们的期望，就是能够像芯片控制电子那样可靠地控制光子，以获得更好的性能。 以能耗的视角来看，目前以集成电路为基碚的数字产业能耗与日俱增，据测算未来五年它可能会消耗掉全球20%的电力供应。如采技有技术变革或央哦，未来人类模有可骼要在恺感象势和随之间做出选薄。而以光子芯片为基础的技术路线，理论上有望将数字产业能耗降低至电子芯片的千分之一。因此，发展更为节能的光子技术，也是实现“碳中和”目标的关健一环。同时，光子技术的应用并不局限于芯片，其发展还可能推动人类更好地利用最大的“光子发射器”一一太阳，以进一步挖掘能源领域的潜力。 因此，从物理属性优势来看，光子技术不仅能够很好的解决电子芯片解决不了的难题，而且还能够在电子芯片现有领域之外，满足更大的产业应用需求，同时，根据底层的科学逻辑，可以预见光子学，光子技术，光子产业将和电子学、电子技术、电子产业一样高速发展。 在产业化方面，全球还处于起步孕育期，产业生态尚未形成，美国仅具有微弱优势。美国于2004年首次实现大规模光子集成，2017年下半年英特尔开始大批量供应100G产品，标志着光子集成真正进入到主流