原标题：【光芯片】重大突破！比英伟达快1.5到10倍，国产光芯片能否打破垄断？

  光计算在AI领域呈现高速的发展，具有广阔的应用前景。近日，中国科学院半导体研究团队研制出一款超高集成度光学卷积处理器。这标志着我国在光计算方面有了重大突破。

  日前，中国科学院公布消息称，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 optical convolution processing unit based on multimode interference为题，发表在《自然-通讯》上。

  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。光计算近年来非常关注，但在大部分已报道的光计算方案中，光学元件的数量随着计算矩阵的规模呈二次增长趋势，这使得光计算芯片规模扩展面临挑战。

  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。根据结果得出，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十分类，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。

  这标志着我国在光计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芯片的工作速度比英伟达的A100芯片快1.5到10倍。

  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，可以在一定程度上完成高速、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慢慢变得大，10Gbs 以下光模块中光芯片占 比 30%，10Gbs-25Gbs 光模块中占比 40%，而 25Gbs 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非常关注。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。

  光模块现阶段主要使用在于光通讯领域，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年超过200亿美元。

  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25G 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——

  ·2.5G及以下光芯片：主要使用在于光纤接入市场，国内光芯片企业已经占据主要市场份额。

  ·10G光芯片：主要使用在在光纤接入市场、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。

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

  光芯片发展与光通信和光模块密不可分，行业正处于加速发展阶段。光芯片是光通信和光模块的 重要组成部分，随着光通信行业的发展和应用场景的变化，光模块和光芯片都在加速发展。光模 块行业已经经历了几十年的发展，光子集成技术的产业体系初步形成，推动了光芯片产业的高速 发展光芯片在降低光纤损耗等方面发挥了及其重要的作用，在新兴领域方面具有巨大的发展潜力。

  而从整个光通信产业链角度看，光芯片与电芯片、结构件、辅料等构成光通信产业上游，产业中游为光器件，包括光组件与光模块，产业下游组装成系统设备，最终应用于电信市场，如光纤接入、4G/5G移动通信网络，云计算、互联网厂商数据中心等领域。

  随着光通信需求的增长，光通信芯片需求正在迅速增加。ICC预计，2023年中国高速率光芯片市场空间有望达到30.22亿美元，2025年有望达到43.4亿美元。同时中国在全球光通信芯片市场的占比有望持续提升。

  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非常关注。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。算力基础设施建设背景下，光芯片有望迎来新一轮成长机会。

  而在具体应用方面，AIGC的算力要求催生高速率、大带宽的网络需求，光模块向更高速率演 进，将有力推动光芯片的技术升级和更新换代。同时，数据中心的网络架构升级导致内部光连接增加，传统三层架构的数据中心正向叶脊架构过渡，意味着光模块需要更快的传输速率和更高的覆 盖率，中高端光芯片有望快速放量。激光雷达等应用的快速落地也将有力推升光芯片的需求。

  而高速率光芯片市场来看，对外依存度较高。25G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50G 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50G，Finisar、AAOI、Oclaro具备50G 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使用在场景包括光纤接入、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的提高背景下，未来25G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借自身技术实力绑定优质客户，从而最终实现进口替代。