今年9月，國內首條光子晶片中試線在無錫市濱湖區正式啟用，在業界引起了不小的轟動。
這條吸引了業內目光的中試線，由上海交通大學無錫光子晶片研究院建設，預計年產能達1萬片晶圓。
近日，我們走進這家研究院，瞭解到了研究院及其背後的追光故事。
一個細節是，在研究院新落成的大樓頂層，有一片用玻璃幕牆圍成的休息區，陽光透光頭頂的天窗灑下來，照亮了正中心的一塊異形石碑。
石碑復刻的是大英博物館的鎮館之寶——古埃及羅塞塔石碑，這是研究院院長金賢敏教授點名佈置的一隅。
羅塞塔石碑之所以珍貴，是因為它被視為揭開古埃及四千年文明的一把鑰匙，如今，它已成為探秘和破解的代名詞。
而此刻，位於光子晶片大樓的這一塊石碑，同樣在昭示著這座院所的壯志雄心：
以光之名，鑄造一把為中國晶片產業開啟未來之門的金鑰。
01.
難題
“AI的盡頭是光伏和儲能，如果只考慮計算機，我們需要燒掉14個地球的能源 。”——CEO黃仁勳
什麼是光子晶片？
為什麼我們需要光子晶片？
CHIPX智慧感知研究中心主任歐陽純方告訴我們，原來，我們日常說的晶片基本都是電子晶片。它把電路所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及佈線互連一起，製作在矽基介質的半導體晶片上，然後再進行封裝。
而光子晶片，則是利用光波作為資訊載體，透過整合光學技術實現資訊傳輸和處理的晶片。
光子晶片之所以備受關注，背後有著深刻的原因。
今天，以矽為基礎的電子晶片歷經幾十年發展後，正面臨著物理極限和無法滿足新需求的多重困擾。
第一個困擾便是摩爾定律的失效。
英特爾聯合創始人戈登·摩爾曾預測每隔18個月到24個月，晶片的電晶體密度就會增加一倍，但從物理的角度來講，當半導體制程達到3奈米後，已經非常接近物理極限，所以要復刻過去的每18-20個月翻一倍幾乎沒有可能。
後摩爾時代，傳統晶片進一步提升的難度與時間成本已經非常之高。
第二個困擾便是能耗與散熱問題。
傳統晶片的原理是電子在銅線中傳播，所以不管是速度還是電阻帶來的耗能都極其巨大。此外，2015年以後，單個電晶體在進行運算時的功耗已經沒辦法再進一步降低，片上的熱無法更有效散發出去。這種種因素，最終都限制了算力的提高。
英偉達CEO黃仁勳就曾表達過AI被能源制約的焦慮，他曾在一次演講中說：“AI的盡頭是光伏和儲能。不能只想著算力,如果只考慮計算機,我們需要燒掉14個地球的能源。”由此可見，只靠電晶片來推動人工智慧的發展或第四次工業革命智慧化，恐怕不太可能。
此時，光子晶片作為一種“後摩爾時代”的潛在顛覆性技術，進入了人們的視野。
“與傳統的電子晶片相比，光子晶片具有許多鮮明的先天優勢，比如傳輸速度更快、頻寬更大、能耗更低。光子晶片以計算速度比電子晶片快1000倍，但功耗僅為電子晶片的1%，資料傳輸時產生的熱量非常小，可以進行密集封裝，也不需要大量的散熱裝置，簡直就是為AI量身定製的。”歐陽純方表示，光子晶片卓越的能效比與驚人的算力，恰好能滿足新一輪科技革命中人工智慧、物聯網、雲計算、生物醫藥等領域對傳輸、計算、儲存、顯示的技術需求。
更重要的是，光子晶片還可以減少對光刻過程的依賴。
眾所周知，在全球的晶片產業角逐中，我國的高階晶片始終面臨著晶片製程工藝與國際先進水平有差距、晶片設計能力不足等困境，如EUV光刻機這樣的關鍵裝置仍高度依賴進口，且常常受到制約。
而光子晶片對製程的要求較低，一般只要百奈米以上的工藝就能滿足要求，而這方面國內的光刻機也已完全能達到技術水準。
如今，光子革命已至，晶片從電到光，無疑將是我國實現趕超的戰略機遇。
誰來破解讓光為人所用的技術，誰來帶領中國晶片產業率先實現從電到光的迭代？
02.
歸國
“回國，做有特色的引領性研究，實現學術夢想。”——上海交大無錫光子晶片研究院院長金賢敏
研究光子晶片，金賢敏入局早，起點高。
金賢敏教授師從著名量子專家、中國科學院院士潘建偉，博士在讀期間曾完成了16公里自由空間量子隱形傳態工作，取得了一系列關鍵技術突破，重新整理最遠距離世界紀錄，併入選當年由兩院院士評選的“中國十大科技進展新聞”和科技部評選的2010年“中國科學十大進展”；隨後又受邀加入牛津大學副校長Ian Walmsley教授團隊進行光量子晶片方向的博士後研究。
這些經歷隨便拿出一條，可能都是巔峰級的，但一條條高含金量的履歷背後，還有一個更為核心的東西，那就是指引他率領團隊搭建出國內首條光子晶片中試線的源動力——“事不避難者進”的信念。
“越大的事越難。對於難的事，唯一的辦法就是在設定的邊界條件下透過思考、智慧以及狠勁去解決它。”這是金賢敏教授常說的一句話。
2010年，金賢敏受邀加入牛津大學副校長Ian Walmsley教授團隊進行光量子晶片方向的博士後研究，彼時，光量子計算領域還是一片空白，該團隊也是全球最早兩家開展此類研究的團隊之一。
與光量子計算的先行者為伍，金賢敏的科研之路也越走越快，期間，他同時獲得歐盟授予的瑪麗居里學者和牛津大學沃弗森學院學者榮譽。
然而，在還有2個月就可以拿到英國永久居留權時，他卻做出了讓人意外的選擇——“回國，做有特色的引領性研究，實現學術夢想。”
金賢敏告訴我們，四年的牛津經歷讓他收穫頗多，但也明顯感受到了發展瓶頸。和國內科研工作者整天“泡在”實驗室裡的鑽研勁兒相比，英國的安逸生活讓金賢敏時刻保持著警惕。
他明白，我國與發達國家之間各種高科技領域的差距，究其根本最早都是從前沿科學研究時逐漸拉開的。如果將自身所學落腳在祖國的土壤上，既能實現學術夢想，又可趕超發達國家的領先地位，這是每一個有情懷的中國學者所追求的終極理想。
2014年11月，金賢敏回國進入，組建了光子整合與量子資訊實驗室，並在心中定下一個目標——從0到1搭建一支強大的科研團隊，並能在某些領域做到全球領先。
金賢敏原以為，實現這一目標，需要花費十幾年甚至畢生精力，然而事實上，他僅用四五年，便搭建了國內唯一同時具有晶片製備+量子計算+光子計算+人工智慧技術的團隊。
2018年，金賢敏製備出世界最大規模三維整合光量子計算整合晶片，並演示了真正空間二維量子行走，此項成果發表在《科學-進展》上，並被評為2018年度中國十大光學產業技術之一。
同年，金賢敏團隊製備出了首個軌道角動量波導光子晶片。他們釋出的49×49的三維整合的光量子晶片，到目前為止尚未被超越。
到2020年，金賢敏在上海交大的科研團隊已發展至40餘人，手握數十個科研專案，涵蓋光量子晶片、量子計算、光子計算、光學AI等技術方向。這支成熟而強大的團隊讓創業的火苗開始在金賢敏的心中躍動
2021年2月，國內光量子晶片及光量子計算的先行者圖靈量子宣告成立，並獲得超億元的天使輪融資，創始人即為金賢敏。
2021年12月，在無錫市與上海交大深化全面合作的框架下，光子晶片研究院正式成立，落址濱湖。
金賢敏眼中的那道光，終究是穿越時空，點燃了中國光量子計算的時代之火。
03.
鑄劍
與光同芯，智算致遠——光子晶片研究院（CHIPX）slogan
今年1月，光子晶片中試線首批裝置入場。
9月，中試線正式啟用，標誌著光子晶片正式步入產業化快車道。
“作為國內第一條光子晶片中試線，不僅要能夠驅動科研，更要驅動從科研到產品，實現量產。這是這條線的使命。”金賢敏教授說。
借鑑臺灣工研院的經驗，金賢敏團隊圍繞光子晶片領域，打造中試線平臺，未來，他們將以無錫濱湖的這個光子晶片研究院為創新策源地，以光子晶片底層技術為驅動，圍繞芯、光、智、算等新一代資訊科技進行科技成果轉化及孵投一體的創業孵化，打造世界級光子芯谷創新生態體系。
值得一提的是，光子晶片研究院也是國內首個聚焦薄膜鈮酸鋰光子晶片的中試平臺。
如果說電子晶片依託的是“矽”，那麼光子晶片的革命就是依託於“鈮酸鋰”。薄膜鈮酸鋰以高頻寬低損耗、優異的物理效能、小型化和整合化被認為是理想的光子整合材料，是光通訊、光計算及量子科技等領域的關鍵技術。
對於薄膜鈮酸鋰光子晶片產業，金賢敏給我們打了一個有趣的比方，這個產業就像冰山，海面上是被太陽照射得熠熠閃光的產品，而海底下，是強大的研發和硬體支撐。
核心技術攻關是一場科技競爭力的較量。
長期以來，國內缺乏聚焦、高效、可靠的薄膜鈮酸鋰光子晶片中試平臺，面臨工藝技術壁壘高、良品率驗證低、產能轉化不足、國外平臺流片週期長等共性困境，制約了產業化程序，而金賢敏教授團隊搭建的中試線平臺，針對這一痛點給出了關鍵一擊。
基於薄膜鈮酸鋰材料，研發團隊開發了電光調製器、超快可程式設計器等光子晶片。同時，基於4寸薄膜鈮酸鋰晶圓，團隊自主開發了與之匹配的DUV光刻工藝、薄膜鈮酸鋰幹法刻蝕工藝，製備出了高品質的低損耗薄膜鈮酸鋰光波導，形成了完善的工藝閉環體系，並實現了薄膜鈮酸鋰光子晶片的規模整合，提供了一條極具前景的產業化技術路線。
而硬體方面，團隊經過上百次深入論證、近百種裝置調研選型和5輪談判，最終形成了一套可行性高、流片工藝可閉環、支撐領域更廣的中試線裝置方案，實現了光子晶片中試線最小閉環的建設。
透過玻璃，我們看到，光子晶片中試線近6000平方米的高等級微納加工超淨間內，一臺臺裝置整齊排列，分割槽明確，身穿潔淨服的技術人員熟練操作各類裝置，觀察產品各項引數執行情況。
在這裡，“乾淨”這個詞被詮釋到了極致。
為使微塵數量達標，超淨間設計可謂“別有洞天”。層高9米的一樓分為3層，主要裝置在中間層，看不見的上夾層、下夾層除了鋪設供應氣體和化學品的管道外，還佈滿了新風系統，輸送清潔空氣，保持室內正壓，再透過鋪設的通風孔向外排氣，使車間的潔淨程度達到了頂級標準。
“推進薄膜鈮酸鋰光子晶片中試線的建設和產業化程序需秉持‘長期主義’原則，不能一簇而就，急功近利。”金賢敏表示，硬體配套的國際一流水準、裝置精密的國內領先，以及工藝流程的完整閉環控制，是支撐光子晶片產業化的三大核心要素，如今，中試線的啟用也代表著這條線符合頂層規劃，達到了國際高度，“真正能為產業化ready了”。
目前，光子晶片研究院的中試平臺總面積17000平方米，配備超100臺國際頂級CMOS工藝裝置，覆蓋了薄膜鈮酸鋰光子晶片從光刻、薄膜沉積、刻蝕、溼法、切割、量測等全閉環工藝。
平臺還兼顧矽、氮化矽等其他材料體系，搭建了N個特色工藝平臺，形成領先的“1+N”先進光子器件創新平臺，不僅可為高校、科研院所、創新企業提供全流程技術服務，還可以為光子產業孵化專案，與產業基金高效聯動，打通從產品研發到市場化的完整鏈條，加速科技成果的商業化轉化。
中試線正式啟用後，預計年產能達10000片晶圓，2025年第一季度將正式釋出PDK，提供對外流片服務。
隨著中試線啟用，西方一些國家的“壟斷夢”被劈開了一道縫。
04.
突圍
“日落江風起，月初浦江明。小視至暗刻，遠見有光時。”——金賢敏教授的小詩
國外的技術封鎖並沒有讓中國晶片產業屈服。相反，它激發了中國晶片產業的鬥志和潛力，科研力量和企業力量齊頭並進。
而說到科研，就不得不提到金賢敏與中國科學院院士毛軍發共同創立的《Chip》期刊。
這是全球唯一聚焦晶片類研究的綜合性國際期刊，2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊專案。
就在前幾天，研究院的朋友還給我們發來一條好訊息：
11月10日，由中國科協、教育部、科技部、財政部、國家新聞出版署、中國科學院、中國工程院聯合實施的「中國科技期刊卓越行動計劃二期專案」公佈結果，《Chip》在全國期刊的激烈競爭中脫穎而出，擬入選「英文梯隊期刊專案」。
對於這本獨一無二的期刊，金賢敏教授闡述了他的初心：
在量子科學等很多領域，我們敢闖“無人區”，中國走在了世界的最前列。在把我國建成世界主要科學中心和創新高地的征程中，科技期刊承載著重要使命。發表尖端科研成果，助力晶片科技發展，是《Chip》與生俱來的使命。
我們還注意到，2023年，《Chip》期刊在無錫舉辦的2023晶片大會·前沿科學論壇上首次釋出了“中國晶片科學十大進展”，梳理、盤點我國晶片科研領域年度標誌性進展。
這不僅是在為中國晶片科研之路樹立一塊塊里程碑，更是在提振信心，鼓舞士氣。
以上海交通大學無錫光子晶片研究院為代表，中國的光子晶片正在迅速向前挺進。
比如，清華大學電子系方璐教授課題組與自動化系戴瓊海教授課題組在智慧光晶片領域已經取得重大進展。他們首創全前向智慧光計算訓練架構，研製出“太極-Ⅱ”光晶片，實現了大規模神經網路的原位光訓練，為人工智慧（AI）大模型探索了光訓練的新路徑。
在新型光刻膠的研發領域，中國科研團隊也在攻關。去年10月，清華大學與浙江大學的聯合團隊全球首次提出了“點選光刻”新方法，併成功開發出與之匹配的超高感光度光刻膠樣品。
中國晶片企業也開始更加註重自主創新和技術研發，加速向高階晶片領域進軍。例如上海微電子裝備公司正在研發國產EUV光刻機；中芯國際正在積極研發7奈米晶片製造工藝，並計劃在未來幾年內實現量產……
縱觀歷史，科技革命的擴散週期大約為60年，積體電路從20世紀60年代誕生至今也已過去60年，在下一個週期到來之際，中國的晶片產業能否順利換道超車？
金賢敏教授曾寫下一首小詩：
“日落江風起，月初浦江明。小視至暗刻，遠見有光時。”
光，就在前方。
05.
後盾
其實很早之前我們就瞭解到，金賢敏團隊之所以選擇無錫濱湖，除了被無錫積體電路產業基礎和氛圍所吸引，還因為當時濱湖政府做出了種種努力，並給到了力所能及的最大支援，最終打動了團隊。
不過這次探訪，我們還聽到了一個更為詳細的故事。
為了建樓，濱湖把好的一塊地給了光子晶片研究院。但這塊地，從“先天條件”來看，有利有弊。
一方面，地塊位於繁華的鬧市區，配套齊全，工作環境便利，有利於研究院後續開展人才招引工作。但弊端就是，地塊東面不遠處便是南北走向的地鐵4號線，而光子晶片中試線建設對防震動干擾的要求極高。
怎麼辦？經過多方反覆論證，最終決定在地基上下功夫，當時光是純地基就打了7米深，全部用鋼筋混凝土澆築。
金賢敏教授告訴我們，在周圍的幾棟大樓中，光子晶片研究院應該是受周邊各種干擾最小的。
在濱湖區各相關部門和蠡園經濟開發區的協作下，這座大樓最終克服了地鐵震動干擾、嚴苛的環太湖流域環保要求等難題順利落成，並實現了綠建三星標準，為光子晶片的研發與生產提供了一流保障。
這是一個很小的故事，卻也是濱湖創新創業環境最生動的註腳。
政府的支援為科技創新提供了最強後盾，我知道，在這裡，又一篇由“頂流”科學家和一座城共同創作的新故事，已經開始。
參考資料：
1、君聯資本：《圖靈量子金賢敏：“頂流”科學家的創業之路 | 走近新質生產力》
2、量子濤哥說：《金賢敏—光子整合和量子資訊引領者！》
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