今年9月，国内首条光子芯片中试线在无锡市滨湖区正式启用，在业界引起了不小的轰动。
这条吸引了业内目光的中试线，由上海交通大学无锡光子芯片研究院建设，预计年产能达1万片晶圆。
近日，我们走进这家研究院，了解到了研究院及其背后的追光故事。
一个细节是，在研究院新落成的大楼顶层，有一片用玻璃幕墙围成的休息区，阳光透光头顶的天窗洒下来，照亮了正中心的一块异形石碑。
石碑复刻的是大英博物馆的镇馆之宝——古埃及罗塞塔石碑，这是研究院院长金贤敏教授点名布置的一隅。
罗塞塔石碑之所以珍贵，是因为它被视为揭开古埃及四千年文明的一把钥匙，如今，它已成为探秘和破解的代名词。
而此刻，位于光子芯片大楼的这一块石碑，同样在昭示着这座院所的壮志雄心：
以光之名，铸造一把为中国芯片产业打开未来之门的密钥。
01.
难题
“AI的尽头是光伏和储能，如果只考虑计算机，我们需要烧掉14个地球的能源 。”——英伟达CEO黄仁勋
什么是光子芯片？
为什么我们需要光子芯片？
CHIPX智能感知研究中心主任欧阳纯方告诉我们，原来，我们日常说的芯片基本都是电子芯片。它把电路所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在硅基介质的半导体晶片上，然后再进行封装。
而光子芯片，则是利用光波作为信息载体，通过集成光学技术实现信息传输和处理的芯片。
光子芯片之所以备受关注，背后有着深刻的原因。
今天，以硅为基础的电子芯片历经几十年发展后，正面临着物理极限和无法满足新需求的多重困扰。
第一个困扰便是摩尔定律的失效。
英特尔联合创始人戈登·摩尔曾预测每隔18个月到24个月，芯片的晶体管密度就会增加一倍，但从物理的角度来讲，当半导体制程达到3纳米后，已经非常接近物理极限，所以要复刻过去的每18-20个月翻一倍几乎没有可能。
后摩尔时代，传统芯片进一步提升的难度与时间成本已经非常之高。
第二个困扰便是能耗与散热问题。
传统芯片的原理是电子在铜线中传播，所以不管是速度还是电阻带来的耗能都极其巨大。此外，2015年以后，单个晶体管在进行运算时的功耗已经没办法再进一步降低，片上的热无法更有效散发出去。这种种因素，最终都限制了算力的提高。
英伟达CEO黄仁勋就曾表达过AI被能源制约的焦虑，他曾在一次演讲中说：“AI的尽头是光伏和储能。不能只想着算力,如果只考虑计算机,我们需要烧掉14个地球的能源。”由此可见，只靠电芯片来推动人工智能的发展或第四次工业革命智能化，恐怕不太可能。
此时，光子芯片作为一种“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术，进入了人们的视野。
“与传统的电子芯片相比，光子芯片具有许多鲜明的先天优势，比如传输速度更快、带宽更大、能耗更低。光子芯片以计算速度比电子芯片快1000倍，但功耗仅为电子芯片的1%，数据传输时产生的热量非常小，可以进行密集封装，也不需要大量的散热装置，简直就是为AI量身定制的。”欧阳纯方表示，光子芯片卓越的能效比与惊人的算力，恰好能满足新一轮科技革命中人工智能、物联网、云计算、生物医药等领域对传输、计算、存储、显示的技术需求。
更重要的是，光子芯片还可以减少对光刻过程的依赖。
众所周知，在全球的芯片产业角逐中，我国的高端芯片始终面临着芯片制程工艺与国际先进水平有差距、芯片设计能力不足等困境，如EUV光刻机这样的关键设备仍高度依赖进口，且常常受到制约。
而光子芯片对制程的要求较低，一般只要百纳米以上的工艺就能满足要求，而这方面国内的光刻机也已完全能达到技术水准。
如今，光子革命已至，芯片从电到光，无疑将是我国实现赶超的战略机遇。
谁来破解让光为人所用的技术，谁来带领中国芯片产业率先实现从电到光的迭代？
02.
归国
“回国，做有特色的引领性研究，实现学术梦想。”——上海交大无锡光子芯片研究院院长金贤敏
研究光子芯片，金贤敏入局早，起点高。
金贤敏教授师从著名量子专家、中国科学院院士潘建伟，博士在读期间曾完成了16公里自由空间量子隐形传态工作，取得了一系列关键技术突破，刷新最远距离世界纪录，并入选当年由两院院士评选的“中国十大科技进展新闻”和科技部评选的2010年“中国科学十大进展”；随后又受邀加入牛津大学副校长Ian Walmsley教授团队进行光量子芯片方向的博士后研究。
这些经历随便拿出一条，可能都是巅峰级的，但一条条高含金量的履历背后，还有一个更为核心的东西，那就是指引他率领团队搭建出国内首条光子芯片中试线的源动力——“事不避难者进”的信念。
“越大的事越难。对于难的事，唯一的办法就是在设定的边界条件下通过思考、智慧以及狠劲去解决它。”这是金贤敏教授常说的一句话。
2010年，金贤敏受邀加入牛津大学副校长Ian Walmsley教授团队进行光量子芯片方向的博士后研究，彼时，光量子计算领域还是一片空白，该团队也是全球最早两家开展此类研究的团队之一。
与光量子计算的先行者为伍，金贤敏的科研之路也越走越快，期间，他同时获得欧盟授予的玛丽居里学者和牛津大学沃弗森学院学者荣誉。
然而，在还有2个月就可以拿到英国永久居留权时，他却做出了让人意外的选择——“回国，做有特色的引领性研究，实现学术梦想。”
金贤敏告诉我们，四年的牛津经历让他收获颇多，但也明显感受到了发展瓶颈。和国内科研工作者整天“泡在”实验室里的钻研劲儿相比，英国的安逸生活让金贤敏时刻保持着警惕。
他明白，我国与发达国家之间各种高科技领域的差距，究其根本最早都是从前沿科学研究时逐渐拉开的。如果将自身所学落脚在祖国的土壤上，既能实现学术梦想，又可赶超发达国家的领先地位，这是每一个有情怀的中国学者所追求的终极理想。
2014年11月，金贤敏回国进入上海交通大学，组建了光子集成与量子信息实验室，并在心中定下一个目标——从0到1搭建一支强大的科研团队，并能在某些领域做到全球领先。
金贤敏原以为，实现这一目标，需要花费十几年甚至毕生精力，然而事实上，他仅用四五年，便搭建了国内唯一同时具有芯片制备+量子计算+光子计算+人工智能技术的团队。
2018年，金贤敏制备出世界最大规模三维集成光量子计算集成芯片，并演示了真正空间二维量子行走，此项成果发表在《科学-进展》上，并被评为2018年度中国十大光学产业技术之一。
同年，金贤敏团队制备出了首个轨道角动量波导光子芯片。他们发布的49×49的三维集成的光量子芯片，到目前为止尚未被超越。
到2020年，金贤敏在上海交大的科研团队已发展至40余人，手握数十个科研项目，涵盖光量子芯片、量子计算、光子计算、光学AI等技术方向。这支成熟而强大的团队让创业的火苗开始在金贤敏的心中跃动
2021年2月，国内光量子芯片及光量子计算的先行者图灵量子宣告成立，并获得超亿元的天使轮融资，创始人即为金贤敏。
2021年12月，在无锡市与上海交大深化全面合作的框架下，光子芯片研究院正式成立，落址滨湖。
金贤敏眼中的那道光，终究是穿越时空，点燃了中国光量子计算的时代之火。
03.
铸剑
与光同芯，智算致远——光子芯片研究院（CHIPX）slogan
今年1月，光子芯片中试线首批设备入场。
9月，中试线正式启用，标志着光子芯片正式步入产业化快车道。
“作为国内第一条光子芯片中试线，不仅要能够驱动科研，更要驱动从科研到产品，实现量产。这是这条线的使命。”金贤敏教授说。
借鉴台湾工研院的经验，金贤敏团队围绕光子芯片领域，打造中试线平台，未来，他们将以无锡滨湖的这个光子芯片研究院为创新策源地，以光子芯片底层技术为驱动，围绕芯、光、智、算等新一代信息技术进行科技成果转化及孵投一体的创业孵化，打造世界级光子芯谷创新生态体系。
值得一提的是，光子芯片研究院也是国内首个聚焦薄膜铌酸锂光子芯片的中试平台。
如果说电子芯片依托的是“硅”，那么光子芯片的革命就是依托于“铌酸锂”。薄膜铌酸锂以高带宽低损耗、优异的物理性能、小型化和集成化被认为是理想的光子集成材料，是光通信、光计算及量子科技等领域的关键技术。
对于薄膜铌酸锂光子芯片产业，金贤敏给我们打了一个有趣的比方，这个产业就像冰山，海面上是被太阳照射得熠熠闪光的产品，而海底下，是强大的研发和硬件支撑。
核心技术攻关是一场科技竞争力的较量。
长期以来，国内缺乏聚焦、高效、可靠的薄膜铌酸锂光子芯片中试平台，面临工艺技术壁垒高、良品率验证低、产能转化不足、国外平台流片周期长等共性困境，制约了产业化进程，而金贤敏教授团队搭建的中试线平台，针对这一痛点给出了关键一击。
基于薄膜铌酸锂材料，研发团队开发了电光调制器、超快可编程器等光子芯片。同时，基于4寸薄膜铌酸锂晶圆，团队自主开发了与之匹配的DUV光刻工艺、薄膜铌酸锂干法刻蚀工艺，制备出了高品质的低损耗薄膜铌酸锂光波导，形成了完善的工艺闭环体系，并实现了薄膜铌酸锂光子芯片的规模集成，提供了一条极具前景的产业化技术路线。
而硬件方面，团队经过上百次深入论证、近百种设备调研选型和5轮谈判，最终形成了一套可行性高、流片工艺可闭环、支撑领域更广的中试线设备方案，实现了光子芯片中试线最小闭环的建设。
透过玻璃，我们看到，光子芯片中试线近6000平方米的高等级微纳加工超净间内，一台台设备整齐排列，分区明确，身穿洁净服的技术人员熟练操作各类设备，观察产品各项参数运行情况。
在这里，“干净”这个词被诠释到了极致。
为使微尘数量达标，超净间设计可谓“别有洞天”。层高9米的一楼分为3层，主要设备在中间层，看不见的上夹层、下夹层除了铺设供应气体和化学品的管道外，还布满了新风系统，输送清洁空气，保持室内正压，再通过铺设的通风孔向外排气，使车间的洁净程度达到了顶级标准。
“推进薄膜铌酸锂光子芯片中试线的建设和产业化进程需秉持‘长期主义’原则，不能一簇而就，急功近利。”金贤敏表示，硬件配套的国际一流水准、设备精密的国内领先，以及工艺流程的完整闭环控制，是支撑光子芯片产业化的三大核心要素，如今，中试线的启用也代表着这条线符合顶层规划，达到了国际高度，“真正能为产业化ready了”。
目前，光子芯片研究院的中试平台总面积17000平方米，配备超100台国际顶级CMOS工艺设备，覆盖了薄膜铌酸锂光子芯片从光刻、薄膜沉积、刻蚀、湿法、切割、量测等全闭环工艺。
平台还兼顾硅、氮化硅等其他材料体系，搭建了N个特色工艺平台，形成领先的“1+N”先进光子器件创新平台，不仅可为高校、科研院所、创新企业提供全流程技术服务，还可以为光子产业孵化项目，与产业基金高效联动，打通从产品研发到市场化的完整链条，加速科技成果的商业化转化。
中试线正式启用后，预计年产能达10000片晶圆，2025年第一季度将正式发布PDK，提供对外流片服务。
随着中试线启用，西方一些国家的“垄断梦”被劈开了一道缝。
04.
突围
“日落江风起，月初浦江明。小视至暗刻，远见有光时。”——金贤敏教授的小诗
国外的技术封锁并没有让中国芯片产业屈服。相反，它激发了中国芯片产业的斗志和潜力，科研力量和企业力量齐头并进。
而说到科研，就不得不提到金贤敏与中国科学院院士毛军发共同创立的《Chip》期刊。
这是全球唯一聚焦芯片类研究的综合性国际期刊，2020年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。
就在前几天，研究院的朋友还给我们发来一条好消息：
11月10日，由中国科协、教育部、科技部、财政部、国家新闻出版署、中国科学院、中国工程院联合实施的「中国科技期刊卓越行动计划二期项目」公布结果，《Chip》在全国期刊的激烈竞争中脱颖而出，拟入选「英文梯队期刊项目」。
对于这本独一无二的期刊，金贤敏教授阐述了他的初心：
在量子科学等很多领域，我们敢闯“无人区”，中国走在了世界的最前列。在把我国建成世界主要科学中心和创新高地的征程中，科技期刊承载着重要使命。发表尖端科研成果，助力芯片科技发展，是《Chip》与生俱来的使命。
我们还注意到，2023年，《Chip》期刊在无锡举办的2023芯片大会·前沿科学论坛上首次发布了“中国芯片科学十大进展”，梳理、盘点我国芯片科研领域年度标志性进展。
这不仅是在为中国芯片科研之路树立一块块里程碑，更是在提振信心，鼓舞士气。
以上海交通大学无锡光子芯片研究院为代表，中国的光子芯片正在迅速向前挺进。
比如，清华大学电子系方璐教授课题组与自动化系戴琼海教授课题组在智能光芯片领域已经取得重大进展。他们首创全前向智能光计算训练架构，研制出“太极-Ⅱ”光芯片，实现了大规模神经网络的原位光训练，为人工智能（AI）大模型探索了光训练的新路径。
在新型光刻胶的研发领域，中国科研团队也在攻关。去年10月，清华大学与浙江大学的联合团队全球首次提出了“点击光刻”新方法，并成功开发出与之匹配的超高感光度光刻胶样品。
中国芯片企业也开始更加注重自主创新和技术研发，加速向高端芯片领域进军。例如上海微电子装备公司正在研发国产EUV光刻机；中芯国际正在积极研发7纳米芯片制造工艺，并计划在未来几年内实现量产……
纵观历史，科技革命的扩散周期大约为60年，集成电路从20世纪60年代诞生至今也已过去60年，在下一个周期到来之际，中国的芯片产业能否顺利换道超车？
金贤敏教授曾写下一首小诗：
“日落江风起，月初浦江明。小视至暗刻，远见有光时。”
光，就在前方。
05.
后盾
其实很早之前我们就了解到，金贤敏团队之所以选择无锡滨湖，除了被无锡集成电路产业基础和氛围所吸引，还因为当时滨湖政府做出了种种努力，并给到了力所能及的最大支持，最终打动了团队。
不过这次探访，我们还听到了一个更为详细的故事。
为了建楼，滨湖把好的一块地给了光子芯片研究院。但这块地，从“先天条件”来看，有利有弊。
一方面，地块位于繁华的闹市区，配套齐全，工作环境便利，有利于研究院后续开展人才招引工作。但弊端就是，地块东面不远处便是南北走向的地铁4号线，而光子芯片中试线建设对防震动干扰的要求极高。
怎么办？经过多方反复论证，最终决定在地基上下功夫，当时光是纯地基就打了7米深，全部用钢筋混凝土浇筑。
金贤敏教授告诉我们，在周围的几栋大楼中，光子芯片研究院应该是受周边各种干扰最小的。
在滨湖区各相关部门和蠡园经济开发区的协作下，这座大楼最终克服了地铁震动干扰、严苛的环太湖流域环保要求等难题顺利落成，并实现了绿建三星标准，为光子芯片的研发与生产提供了一流保障。
这是一个很小的故事，却也是滨湖创新创业环境最生动的注脚。
政府的支持为科技创新提供了最强后盾，我知道，在这里，又一篇由“顶流”科学家和一座城共同创作的新故事，已经开始。
参考资料：
1、君联资本：《图灵量子金贤敏：“顶流”科学家的创业之路 | 走近新质生产力》
2、量子涛哥说：《金贤敏—光子集成和量子信息引领者！》
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