中國試圖透過矽光子技術 改變全球晶片競賽格局

在半導體技術這個高風險的領域，中國近期邁出了重要一步。據科技媒體《半導體行業觀察》報導，中國在矽光子領域取得的突破，代表著晶片製造能力潛在的巨大飛躍。在國際技術競爭的背景下理解這一進展至關重要。這不僅可能幫助中國克服現有的技術壁壘，還可能重塑半導體產業的力量平衡。

矽光子技術結合了傳統的矽晶片技術與光學元件，為開發更快、更節能的晶片鋪平了道路。這項發展尤其關鍵，因為中國正遭受西方國家在先進半導體技術方面的日益嚴格的限制。透過開發本土尖端解決方案，中國正努力提升其在半導體產業的自給自足能力。

矽光子如何提升中國半導體產業？

矽光子技術對中國半導體產業而言是一次重大飛躍，為克服技術障礙並實現更大的自給自足提供了途徑。這項創新技術結合了傳統的矽基晶片與光學元件，潛在地徹底改變數據處理與通訊領域。

透過將光子學整合到半導體設計中，中國可以開發利用光而不是電子來傳輸數據的晶片。這種方法提供了多項優勢：包括提升數據傳輸速度、降低功耗、改善熱管理等。

這些優勢對於數據中心、人工智慧（AI）應用和 5G 網路等領域尤其重要，而這些正是中國尋求建立競爭優勢的領域。隨著西方國家對先進半導體技術施加更嚴格的控制，矽光子技術為中國提供了開發本土解決方案的機會。這項突破可能幫助該國規避外部壓力，減少對外國技術的依賴。

矽光子的潛在應用範圍超出了傳統計算。隨著中國不斷精進這項技術，它可能帶來量子計算、先進感測技術、用於科學研究的高性能計算的進步。

透過投資矽光子技術，中國將自己定位於下一代半導體開發的前沿，潛在重塑全球科技格局。

地緣政治緊張局勢推動中國半導體自給自足

隨著地緣政治緊張局勢升級，中國尋求半導體自給自足的動力達到了前所未有的勢頭。最近在矽光子領域的突破不僅僅是一項技術成就，更是全球科技主導權複雜棋局中的一個戰略舉動。隨著西方國家，特別是美國，收緊對先進晶片技術的限制，中國被迫加速發展其國內半導體能力。這股推力是對中國在科技領域面臨的日益增加的外部壓力的直接回應。

透過發展像矽光子這樣的本土技術，中國旨在規避這些障礙，減少對外國半導體供應商的依賴。這項策略不僅解決了眼前的挑戰，也讓中國在 AI、5G 網路和數據中心基礎設施等關鍵領域更有效地競爭。

儘管挑戰依然存在，但中國在矽光子領域的進展標誌著其實現技術自給自足和在全球半導體領域領先目標的關鍵一步。

受益於矽光子進展的應用領域

矽光子技術有潛力徹底改變各行各業和應用。隨著中國在這一領域取得進展，幾個關鍵領域將獲得顯著優勢：

數據中心與雲端計算：矽光子技術的整合可以顯著提升數據中心的效能和效率。透過利用光進行數據傳輸，這些中心能夠以空前的速度處理和傳輸信息，同時消耗更少的電力。這項進展對於處理雲端計算和大數據分析日益增長的需求至關重要。

人工智慧和機器學習：AI 和 ML 應用需要巨大的計算能力和數據處理能力。矽光子技術可以提供必要的頻寬和速度來加速這些複雜的操作。這可能導緻更先進的 AI 模型和更快的訓練時間，潛在地使中國在全球 AI 競賽中獲得競爭優勢。

5G 及未來網路：隨著 5G 網路不斷擴展，矽光子技術可以在改善網路基礎設施方面發揮關鍵作用。該技術的高速數據傳輸能力可以提升 5G 基地站的效能，並為未來的 6G 網路鋪平道路。這可能使中國成為下一代電信技術的領導者。

光子與人工智慧大模型

大型語言模型（LLMs）正迅速逼近當代計算硬體的極限。例如，估計訓練 GPT-3 消耗了約 1300 兆瓦時（MWh）的電力，而預測顯示未來模型可能需要城市級別（吉瓦級）的電力預算。這種需求促使人們探索超越傳統馮 · 諾依曼架構的計算範式。傳統矽基晶片正接近其物理極限，且馮 · 諾依曼架構受限於「存儲器–處理器」瓶頸，限制了速度和能效。

光子計算利用光來處理信息，天然具有高頻寬、超強並行性與極低熱耗散等優勢。近期在光子積體電路（PICs）上的進展，使得構建類神經網路的基本模組成為可能，例如馬赫 - 曾德干涉儀（MZI）陣列、微環諧振器（MRR）等。這些光子處理器利用波分復用（WDM）實現了極致的並行性與吞吐能力。此外，將二维材料（如石墨烯和 TMDCs）整合到 PICs 中，催生了超高速的電吸收調製器和可飽和吸收體，作為片上的「神經元」和「突觸」。

光子計算系統在吞吐量和能效方面有可能超越電子處理器幾個數量級。然而，在支援 LLMs 方面，挑戰依然存在。

面臨的挑戰

雖然潛力巨大，但要充分發揮光子計算在 LLM 中的作用，仍面臨多項挑戰：

• 長上下文窗口與記憶體問題：光子加速器通常缺乏足夠的片上記憶體來快取長序列數據，導致數據移動重新引入馮 · 諾依曼瓶頸。大規模數據集的存儲與 I/O 頻寬也構成重大挑戰。

• 精度與轉換開銷：光子計算的模擬性質使得維持 LLM 所需的高精度張量變得困難，需要消耗大量晶片面積與功耗的 ADC/DAC 轉換器。

• 缺乏原生非線性函數：光子硬體擅長線性運算，但在實現激活函數等非線性層方面缺乏高效手段，通常仍需依賴電子電路。

• 系統整合與協同設計：將光子處理器與先進的光學 I/O、記憶體層次結構整合，並從算法層面匹配硬體特性，需要跨層次的協同設計。

研究正探索將 Transformer 中的自注意力機制直接實現於光域中，以及將 LLM 推理重構成類腦、事件驅動範式（脈衝神經網路 SNN）的可能性，後者天然契合光子的優勢。混合光子 - 自旋電子設計在此可發揮作用，自旋電子器件（如磁隧道結）可提供緊湊的非揮發性權重存儲，並可與光神經元介接。

報導指出，總體而言，中國在矽光子領域的突破標誌著全球半導體格局的關鍵時刻。這項進展不僅展示了中國日益增長的技術能力，也凸顯了這一關鍵領域國際競爭動態的轉變。