电子和光子在半导体中独立运作或者相互浸染奠定了不同芯片的根本。芯片不仅扮演了当代家小心脏的角色，也给人类社会带来了各种各样的机会。对这些芯片的理解程度决定了把握这些机会的能力。心痛可能导致休克，乃至去世亡；“芯” 痛则可能导致家当结束，乃至消亡。
本文通过四个大略的观点，先容四种不同的芯片。希望这些基本知识能够被引伸到对芯片技能以及与之干系的社会发展问题的一个全新理解。以便从根本创新，人才培养，抵家当布局，都能够尊重科技发展的自然规律，依赖扎踏实实地耕耘和适当的资源配置，高效率地得到核心芯片，不再 “芯” 痛。
撰文 | 周治平
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芯片是一个既熟习又生疏的话题。我们每个人都听说过芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特殊是最近，除了科研院所，政府机关，成本市场在负责对待以外，在商店里，火车上，猪肉店，水泥厂也有人在谈论芯片，有的还打算去创业造芯片。然而，绝大多数人都没有真正见过芯片长什么样，更不用说理解它们的事情事理并区分不同的芯片了。
大约在60多年前，人们就开始在硅片上进行芯片加工了。当时的芯片非常大略，有的只有一个晶体管，但是已经展现出在尺寸、能耗、和价格方面超越电子管的巨大上风。那个时期叫晶体管时期。
然后到了大家熟习的集成电路时期，经由光电子时期，又到了现在这个大家生疏的硅基光电子时期。这些不同的时期实际上是借助了半导体芯片的发展而实现更迭的。
正如人体心脏的紧张功能是推动血液流动，向其他器官、组织供应充足的血流量，以坚持它们正常的代谢和功能一样，在本日的信息社会里，半导体芯片担负着处理信息，并且向各行各业各个角落通报信息的功能。芯片功能的强弱决定了信息社会的强弱。缺少核心芯片引起的“芯”痛则可能导致信息社会结束，乃至消亡。
01 四个观点
要想真正地理解芯片，第一步便是把下面的四个基本观点弄清楚。什么是电子？什么是光子？什么是光谱？什么是半导体？这些名词听起来彷佛非常的玄，但实际上非常好理解。
电子和光子都是构成物质的基本粒子。大量电子形成的电流，通过金属导线传输；大量光子形成光束通过光波导传播。不同的是，电子和电子之间可以相互浸染：两束电流相交将形成短路，合为一体；光子之间的相互浸染就不那么随意马虎了：两束光相交叉往后，仍旧各走各的路。
光谱是光子的特色，表达光子的不同频率分布。可以分别携带不同的信息。因此，在一根电线里只可以传输一起旗子暗记；而在一根光波导里则可以同时传输许多路不同的旗子暗记，使通信容量和速率大大地增加。
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。常见的半导体有硅、锗、砷化镓、磷化铟等，硅是各种半导体中，在商业运用上最为成功的一种。
在半导体晶体中，人为地掺入特定的杂质元素，使其导电性能可控，这一特性使半导体成为制造电子芯片的最佳材料。
半导体中电子和光子拥有强烈的相互浸染：加电可以发光；光照可以发电。它们是光电子芯片的根本。
02 四种芯片
迄今为止，四种不同的芯片都是在半导体材料上发展起来的，也可以被叫做半导体芯片。它们是依赖电子、光子、或者光电相互浸染，决定了它们的特色和用场。
自从1897年汤姆森证明电子的存在以来, 电子经历了电真空时期（1905），晶体管时期（1947），来到了集成电路（1958）时期。所谓的集成电路也便是电子芯片的一种，便是我们大家每天都听说的，每天都在用的IC芯片。集成电路紧张以硅为材料，它的一个主要特色便是仅仅只利用电子来作为信息载体。
借助于摩尔定律的推动以及芯片公司和仪器设备公司的努力，电子家当目前已经成为了环球经济不可分割的一部分。
光子这个名称是在1927年才被人们所认可。经历了空间光学时期和集成光学时期，专家学者们在30多年往后，借用了电子学发展的路径，利用类似的技能和方法，将大型的光学元器件集成到了一个小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的主要特色便是仅仅利用光子作为信息载体，不须要电子的参与。
由于光子之间的相互浸染非常微弱，无法形成低本钱、低能耗的功能器件，家当规模受限到基本上没有。因此，目前光子芯片的研发重点紧张聚焦在根本研究，而不是家当发展。
前面讲到的两个芯片，都有自己非常严重的局限性。比如电子芯片，由于受到电子本身在半导体内运动速率的限定，它的主频只有几个GHz。而光子芯片，由于光子本身的弱相互浸染，基本上也便是一个无源器件，功能非常受限。
为理解决上述问题，人们自然而然地就想到了将光子和电子结合起来。实际上正是人们在研究光子的过程中，创造它与电子有密不可分的关系：半导体材料可以通过接管光子而产生电子，也可以通过电子的泯没而发射光子。由此开启了光电子学的研究，并发明了激光器和光探测器——最大略的光电子芯片。光电子芯片的时期始于上世纪70年代。为了得到更强的光电效应，早期的光电子芯片基本上都是在砷化镓、磷化铟材料上制作的。但是，这些材料既难于加工，也很难做成像硅单晶那么大的尺寸。因此用它来制作的光电子芯片本钱很高，且由于集成度不高，功能非常单一。
光电子芯片的涌现，给了通信行业，特殊是光通信行业，一个高速发展的机会。由于高性能激光器、掺铒光放大器、波分复用器的涌现，通信系统不仅由电缆传输切换到光纤传输，而且从单线单路发展到单线多路，大大地提升了通信系统的传输速率和通量，降落了本钱，使许多家庭感想熏染到了光纤到户的好处，为即将到来的大数据时期奠定了根本。
通过对上述三种芯片的先容可以创造：由于电子和光子的固有特性不一样，他们在家当运用方面的发展也是完备不同的。
电子之间有强相互浸染，因此形成了 “电子家当”；光子之间基本上没有互动，也就无法形本钱身的家当。
而目前与光子干系的产品，除了光波导，基本上都是光电共同浸染的产物。“光电家当” 也已经广泛进入消费市场。
“光子家当” 只是个观点，根本无法进入消费市场，除非把“光电家当”改名为 “光子家当”。
纵不雅观半导体芯片的发展历史，电子芯片/集成电路、光子芯片、光电子芯片都仅仅只是个中的一个分外阶段。而半导体芯片目前的发展趋势便是将它们有机地统一集成到硅衬底上，形成一个崭新的 “硅基光电子芯片”。
众所周知，辅导微电子发展的 “摩尔定律” 基本失落效，集成电路芯片的发展趋于饱和。在另一方面，由于大数据、云打算、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。为了提高芯片的速率，美国等发达国家和地区的科学家在90年代中期就提出了光互连的观点，使 “光进铜退” 延伸到了芯片内部。他们利用与硅基集成电路技能兼容的技能和方法，将微纳米级的光子、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。
说的普通一点，便是为了应对人们对数据流量需求的不断增长，而电子芯片无能为力的情形下，将光子加入到目前的硅基集成电路中间去，形成一个既快速又便宜的新型大规模光电集成芯片。
IBM、英特尔、台积电、格罗方德、思科、Acacia等多家大型公司已经对硅基光电子芯片进行了商业化的批量生产，而且以硅基光电子芯片为核心的光模块也在数据中央和通信系统中得到了大量运用，硅基光电子家当链已经形成。
硅基光电子芯片可以在算力、能耗、本钱、尺寸方面带来极大的上风。人们预期，它不仅可以支撑大数据时期的通信设备、数据中央、超级打算、物联传感、人工智能等家当，更有可能在不久的将来进入消费市场。
03 如何不再 “芯” 痛？
人们对电子、光子的理解，对由此产生的技能时期的更迭，导致了信息社会的涌现及发展。而信息社会对小巧、廉价、低能耗器件和系统的偏爱催生了各种各样的半导体芯片。
最早涌现的电子芯片，或者说，集成电路得益于硅材料和CMOS器件的完美结合，具有尺寸小，本钱低，集成度高的优点，目前已经是环球经济不可分割的一部分，也已经成为传统家当，其发展速率也饱和趋缓。
光子芯片利用光子作为信息载体。由于光子之间的相互浸染非常微弱，无法形成低本钱、低能耗的功能器件，也就无法形本钱身的家当。
光电子芯片看重光子与电子之间的相互浸染，拥有多通道，大带宽，高速率的特点，是支撑高速通信的关键技能。但由于是在砷化镓、磷化铟材料上制作，因此，很难做到低本钱和高集成度。
硅基光电子芯片是目前半导体芯片发展的最高级阶段。是将上述三种芯片中的基本元素在硅衬底上异质集成而得到的一款大规模光电集成芯片。被公认为是后摩尔时期的核心技能，大数据时期的基石。
作为宇宙万物中的一员，芯片也是遵照着自然规律、分阶段、循规蹈矩地形成和发展的。特殊地，芯片乃人智精气之汇聚，是人们对前沿科学技能进行长期研究与开拓而凝练出来的一件艺术品，不是利用大量的金钱就能在短韶光内得到的低门栏产品。
特定阶段的芯片都会扮演特定的角色，都有它的优点和不敷。
在当今这个以大数据、人工智能为特点的信息社会，纯挚的电子芯片/集成电路已经不能够知足在数据传输和处理方面的须要，更不能带来更上一层楼的时期更迭。
纯挚地强调光子的多路传输特点、光子芯片的观点，不仅不会做大光子家当，还有可能把 “强化国家计策科技力量” 的努力引入歧途。
分开电子芯片的根本，忽略光子与电子之间的相互浸染，而把硅基光电子芯片当作光子芯片来研究，那是想要建造空中楼阁；而没有一定的电子芯片制造条件和家当积累，那也是造不出前辈的硅基光电子芯片的。
硅基光电子芯片是建立在电子芯片的根本上的。它不仅可以替代部分的高端集成电路，而且可以开辟一些新的运用领域，正在形成一个比集成电路家当更大的硅基光电子家当。
唯有真正理解芯片，理解芯片的发展过程，理解芯片发展的不同阶段，从根本创新、人才培养、抵家当布局，都尊重芯片发展的自然规律，依赖扎踏实实地耕耘和适当的资源配置，才能高效率地得到核心芯片，不再 “芯” 痛。
2020.12.22 于北京中关园
本文由知识分子和中国激光微信"大众号联合发布。
作者简介
周治平，乔治亚理工学院博士，北京大学教授。OSA Fellow, SPIE Fellow, IET Fellow；中国光学学会名誉理事，中国光学工程学会常务理事；Photonics Research创刊主编。亲自参与、见证了中国微电子家当的早期发展、中期努力、以及目前的缺“芯”之痛；深入研究过光电子技能在加工、娱乐、传感、通信、打算、人工智能等领域的运用；针对微纳光电子集成技能，揭橥论文、书本章节、专利、特邀报告600余篇/次，辅导中外学生逾百名。编著海内第一本《硅基光电子学》，定义它为利用硅基集成电路工艺和方法，将光子、电子、及光电子器件大规模异质集成在同一硅基芯片上的一项崭新技能，是将光子学、电子学、光电子学、通信技能统一在硅衬底上的一门交叉学科。
