總體而言，光子晶片具有高計算速度、低功耗、低時延等特點，且不易受到溫度、電磁場和雜訊變化的影響。其不追求工藝尺寸的極限縮小，突破了工藝的限制，有更多的性能提升空間。
幾十年來，英特爾聯合創始人戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律，不僅成為電腦處理器的製造準則，某種程度上也被看作科技行業的前進預言。
然而，自從1958年仙童半導體公司發明積體電路後，以矽為基礎的電子晶片已經發展了幾十年。
如今，電子晶片的承載能力已經逼近了物理理論的極限。
光子晶片的出現，被看作突破摩爾定律的有效途徑之一。
相比電子晶片有獨特優勢
“光子晶片簡單說就是利用光信號進行資料獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的晶片。”中科創星董事總經理張思申向科技日報記者解釋，相對於電子驅動的積體電路，光子晶片的獨特優勢十分明顯。未來，無論是互聯網、5G還是物聯網領域，在基礎設施方面都離不開光纖和光學器件。
臺灣據張思申介紹，相比傳統的電子晶片，光子晶片有很多優勢，主要表現為高速率和低功耗。光信號以光速傳輸，速度得到巨大提升；理想狀態下，光子晶片的計算速度比電子晶片快約1000倍。光子計算消耗能量少，光計算功耗有望低至每比特10—18焦耳（10—18J/bit），相同功耗下，光子器件比電子器件快數百倍。
另外，光具有天然的並行處理能力以及成熟的波分複用技術，從而使光子晶片的資料處理能力、容量及頻寬均大幅度提升；光波的頻率、波長、偏振態和相位等資訊可以代表不同的資料，且光路在交叉傳輸時互不干擾。這些特性使得光子擅長做並行運算，與多數計算過程花在“矩陣乘法”上的人工神經網路相契合。
“總體而言，光子晶片具有高計算速度、低功耗、低時延等特點，且不易受到溫度、電磁場和雜訊變化的影響。”張思申說，光子晶片可以採用矽基半導體工藝來製造，形成光波導等無源器件。並且不追求工藝尺寸的極限縮小，突破了工藝的限制，有更多的性能提升空間。此外，光子晶片提供了全新的晶片設計架構思路，徹底顛覆原有的設計理念，有更多的設計創意空間。光子晶片可以與三五族化合物半導體形成的發光器件封裝在一起來實現光電集成。未來將過渡到異質集成，實現真正的光電集成晶片。
人工智慧時代的基礎設施
張思申表示，光子計算晶片通常由一個電子晶片部分和光子傳輸部分來組成，電子晶片負責邏輯運算，讀取傳輸由光波導來實現。而在未來的光計算系統中，可以把光子晶片理解為電子晶片的“高速公路”，它説明電子晶片分擔包括線性計算、資料傳輸、記憶體讀取等在內的這些相對耗時的操作。
“光子晶片是人工智慧時代的基礎設施，可以廣泛應用於高速傳輸、遠距離感知、人工智慧計算處理領域。”張思申說。
他舉例說明：在5G通信領域，光通信已經得到了相當廣泛的應用，現在的雲計算和資料中心中，已經大量採用了基於光子晶片的光收發模組，穀歌現在已經是全球最大的光器件採購商。在人工智慧領域，光子晶片是一種光計算架構與人工智慧演算法高度匹配的晶片設計，可應用於自動駕駛、安防監控、語音辨識、圖像識別、醫療診斷、虛擬實境等關鍵人工智慧領域，並已經得到了實際應用。在光計算方面，類腦光子晶片類比人腦的計算，通過光子攜帶資訊在類比大腦的神經網路構架下處理資料，使晶片達到像人腦一樣高速並行且低功耗的計算。包括IBM、英特爾，以及中國的一些企業和研究院所都在研發光CPU。“不過，矽基光電子產品的大規模商用還需時日，光計算市場還需要時間培育。”他坦言。
此外，在光感知方面，基於光子技術的雷射雷達是當下的熱點技術和應用方向，特別是在無人駕駛行業的應用，推動了行業的發展。在生物醫藥、納米器件等的內部結構實現高分辨無損檢測的新型計算顯微關聯成像裝備中，光子晶片均可以發揮其高速並行、低功耗、微型化的優勢。
在空間鐳射通信領域，光子晶片是解決目前空間傳輸速率瓶頸問題的主要技術手段，另外還有星間互聯網、6G通信、智慧遙感測繪等國家戰略安全和戰略需求領域，而這些都是需要對大資料進行高速、低功耗、即時處理的。光子晶片在這些國家戰略領域將起到非常重要的支撐作用。
電子晶片仍占主導地位
儘管光子晶片的優勢明顯，但張思申直言，目前在晶片領域，電子晶片仍佔據主導地位。特別是存儲領域，仍是電存儲晶片的天下，光存儲還未實現量產突破。在傳輸相關領域，如光通訊上，光子晶片已經被大量使用，占主要地位。在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電集成的結合，還需要很長一段時間逐步替代，才能實現全光計算。“總體來說，目前只在個別計算和傳輸領域，光子晶片可以取代電子晶片的地位。”他說。
從工藝上看，光子晶片擺脫了對摩爾定律不斷縮小工藝尺寸的依賴，從而降低了對先進工藝的需求，一定程度上減輕了當前晶片發展的關鍵問題。“實際上我們可以看到，很多實現量產的高端光子晶片來自海外，這一現狀需要我們中國的光子晶片企業不斷努力，提高產品性能，提高中國國產化率。”張思申說。
“如今光子計算仍處於早期階段，最大的挑戰來自於對於光計算晶片上光學器件密度的提升。在這一全新賽道上，我們雖然沒有前路可以借鑒，但發展前景令人十分期待。光學計算已經在商業化道路上邁出了重要的一步，相信在未來的兩三年內，我們可以看到光子計算晶片的應用，開啟計算革命。”張思申說。
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佈局光子晶片產業 各國均在路上
目前，全球多個國家出臺政策，扶持光子產業發展。國外領先的半導體企業也都紛紛在光子晶片領域重金投入，以求在未來的競爭中佔據主動地位。
2018年1月，中國工信部發佈了中國光電子器件發展五年路線圖（2018—2022），其中明確提及中國光通信器件產業目標：2022年中低端光電子晶片中國國產化率超過60%，高端光電子晶片的中國國產化率突破20%。
中國的華為、光迅、海信等公司都在光子晶片領域進行了佈局。據張思申介紹，目前在光通訊中低端光子晶片領域我們實現自主供貨，高端光子晶片也逐步走向成熟。近幾年中國也出現了一些優秀的光子晶片初創公司，如陝西源傑半導體在中國國產鐳射晶片領域實現大規模量產，打破了國外壟斷；曦智科技2019年4月發佈了全球首款光子晶片原型板卡，並通過流片驗證，計畫從2021年起為AI雲計算帶來高效的量產產品。