光芯片国产替代迎来新机遇

颜媛媛

中科院光芯片取得重大突破

日前，中国科学院发布消息称，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室微波光电子课题组李明研究员－祝宁华院士团队研制出一款超高集成度光学卷积处理器。相关研究成果以Compact opticalconvolution processing unit based on multimodeinterference 为题，发表在《自然－通讯》上。

该团队提出的光学卷积处理单元实验验证了手写数字图像特征提取和分类能力。结果表明，图像特征提取精度达到5 bit；对来自MNIST 手写数字数据库的手写数字进行分类，准确率达92.17%。与其他光计算方案相比，该方案具有如下优点：（1）高算力密度：将光波分复用技术与光多模干涉技术相结合，采用4 个调控单元实现3 个2×2 实值Kernel 并行运算，算力密度达到12.74-T MACs/s/mm2。（2）线性扩展性：调控单元数量随着矩阵规模线性增长，具有很强的大规模集成的潜力。

这标志着我国在光計算方面有了重大突破。中信建投更是直接喊出此项技术的突破在AI 领域具有广阔前景。据了解，光计算是一种利用光波作为载体进行信息处理的技术，具有大带宽、低延时、低功耗等优点，提供了一种“传输即计算，结构即功能”的计算架构，有望避免冯·诺依曼计算范式中存在的数据潮汐传输问题。

中信建投指出，近年来光计算在AI 领域呈现高速的发展，具有广阔的应用前景。以Lightmatter 和Lightelligence 为代表的公司，推出了新型的硅光计算芯片，性能远超目前的AI 算力芯片，据Lightmatter 的数据，他们推出的Envise 芯片的运行速度比英伟达的A100 芯片快1.5 到10 倍。

光芯片需求迎来全面爆发

激光器芯片和探测器芯片就合称为光芯片，光芯片是实现光电信号转换的基础元件，其性能决定了光通信系统的传输效率。与传统的光学元件相比，光芯片具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等优势，能够实现高速、高精度、高可靠的光学信号处理和传输。在算力基础设施建设海量增长的背景下，光芯片将会迎来巨大的机会。

随着传输速率的提高，光芯片在光模块成本中的比例也越来越大，10Gbps 以下光模块中光芯片占比 30%，10Gbps-25Gbps 光模块中占比 40%， 而25Gbps 以上光模块中光芯片的占比则达到了 60%。

当前新一轮以 AI 为代表的科技革命正席卷全球，OpenAI 开发的 ChatGPT 使得 AIGC 备受关注。而在AIGC 商业化应用加速落地的背景下，算力基础设施的海量增长和升级换代将成为必然趋势。

光模块现阶段主要应用于光通信领域， 根据LightCounting 数据测算，2022 年全球光模块市场规模同比增长 14%，预计 2022-2027 年全球光模块市场CAGR 为 10%，在 2027 年将超过200 亿美元。

国产替代加速

光芯片是光通信技术壁垒最高的环节之一。

欧美国家光芯片技术领先，国内光芯片企业追赶较快，目前全球市场由美中日三国占据主导地位。 海外光芯片企业已形成产业闭环和高行业壁垒，可自主完成芯片设计、晶圆外延等关键工序，可量产25Gbps 及以上速率的光芯片。部分中国光芯片企业已具备领先水平，随着技术能力提升和市场 认可度提高，竞争力将进一步增强。

经过多年的发展，各类光芯片国产替代率分化明显，不过高端光芯片国产替代率仍较低，具体格局如下——·

2.5Gbps 及以下光芯片：主要应用于光纤接入市场，国内光芯片企业已经占据主要市场份额。

·10Gbps 光芯片：主要应用在光纤接入市场、移动通信网络市场和数据中心市场。我国光芯片企业已基本掌握10G 光芯片的核心技术，但部分型号产品仍存在较高技术门槛，依赖进口。

·25Gbps 及以上光芯片：主要应用于移动通信网络市场和数据中心市场，包括25Gbps、50Gbps、100Gbps 激光器及探测器芯片。

而从高速率光芯片市场来看，对外依存度较高。25Gbps 及以上速率属于高速率光芯片，目前由欧美日领先企业占主导，Oclaro、Avago、NeoPhotonics 等具备50Gbps EML 芯片能力，DFB 和VCSEL 激光器芯片大规模商用的最高速率已达到50Gbps，Finisar、AAOI、Oclaro 具备50Gbps PAM4 DML 芯片的能力，国内与海外产业领先水平存在一定差距。

好在当前光芯片主要应用场景包括光纤接入、4G/5G 移动通信网络、数据中心等，都处于速率升级、代际更迭的关键窗口期，在对高速传输需求不断提升背景下，未来25Gbps 以上速率光模块所使用的光芯片占比将逐渐扩大，到2025 年，整体市场空间将达43.40亿美元，年均复合增长率将达到21.40%，国内厂商在高速率光芯片领域有望凭借自身技术实力绑定优质客户，从而最终实现国产替代。