对话周治平教授|硅基光电子学与芯片未来

来源：两江科技评论

2019年9月18日，教育部长江学者、北京大学周治平教授应邀来访北大附中，在图书馆报告厅进行了以“硅基光电子学与计算机科学(Silicon Photonics and Computer Science)”为主题的讲座。新加坡莱佛士书院的来访师生和北大附中师生有幸聆听了此次讲座，通过周教授深入浅出的讲授了解了硅基光电子学这一领域的前沿动态及应用前景，对中国芯片产业发展的机遇与挑战也有了更理性的认知。

 此次演讲中，周治平教授强调一个完整的计算机(A Complete Computer) 包括硬件和软件，两者相辅相成，缺一不可。如果没有计算机硬件的发展和算力的提升，计算机科学的发展就像是无源之水，无本之木，难以实现革命性的突破。芯片技术与计算机硬件的发展密切相关，对于信息产业的发展和万物互联的实现至关重要。

计算机的构成

周教授分三个部分向来自新加坡的中学生科普了硅基光电子学与计算机科学的相关知识。第一部分为引入，主要介绍计算机相关知识；第二部分介绍硅基光电子学为何产生；第三部分讲述硅基光电子学目前的发展现状和未来前景。

周教授首先阐释了硅基光电子芯片的概念及其相较于其他类型芯片独特的优势。硅基光电子芯片不同于仅利用电子作为信息载体的电子芯片和仅利用光子作为信息载体的光子芯片，它同时利用光子和电子作为信息和能量的载体，结合了光的极高带宽、超快速率和高抗干扰以及微电子技术在大规模及集成、低能耗、低成本方面的优势。它也不同于以III-V族材料为平台的传统光电子芯片，而是选用硅材料作为集成光电子器件的平台。硅基光电子学的核心任务便是探讨微纳米量级光子、电子、及光电子器件在不同材料体系中的新颖工作原理，并使用与硅基集成电路工艺兼容的技术和方法，将它们异质集成在同一硅衬底上，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电集成芯片的一门科学。

周教授介绍硅基光电子学

    在梳理硅基光电子学的产生源头时，周治平教授从几个基础术语开始说起。电子学（Electronics）是研究电子的特性和行为的学科。利用电子作为信息载体的集成电路被称为电子芯片。光子学（Photonics）是研究光子特性和行为的科学。同理，光子芯片指利用光子作为信息载体的集成电路。电子和光子在传输信息时各有利弊，于是出现了电子学和光子学相结合的新技术学科——光电子学（Optoelectronics），研究光子与电子的相互作用并以光子和电子作为信息载体，实现光发射、控制、测量和显示等。而硅基光电子学则是在光电子学基础上更进一步，将光子和电子这一信息载体置于硅基之上，在纳米量级的维度上探讨光子、电子以及光电子器件的工作原理，并且讨论如何将他们集成在同一个硅片上的学科。

    硅基光电子芯片的出现不仅有着丰富的学科积累，而且有着深刻的时代背景。电子芯片自产生以来一直遵循着摩尔定律集成化的发展道路，即每隔18-24个月，单位集成电路上可容纳的元器件的数目就会增加一倍，性能也将提升一倍。但至上世纪90年代，芯片的集成速度已经开始放缓，芯片未来发展面临挑战。而现实中技术的发展情况却对芯片性能提出了更高的期待。一方面信息化时代对通讯技术提出了更高的要求，要求更短的延迟时间，更低的能耗，以及更大的信息承载力，另一方面随着大数据技术、云计算技术的发展，要求更大的数据承载力和更快的数据处理速度。传统的芯片难以突破摩尔定律物理上的限制，硅基光电子芯片应运而生，硅基光电子芯片集成了电子芯片尺寸小、耗电少、成本低、集成度高的特性，同时吸收了光电子芯片多通道、大带宽、高速率、高密度的优势，能够满足芯片进一步发展的要求。

集成度要求越来越高

    至于硅基光电子学的发展现状和未来，周教授指出硅基光电子芯片目前正在向大规模集成和多样化发展，在能耗、成本、尺寸方面具有极大的优势，可应用于高速计算机网络、5G网络、数据中心、传感、消费、激光雷达、量子通信技术等诸多领域。正如周教授所言，随着大数据、云计算、物联网的发展，信息高速公路体系中的数据流量急速增加，而集成电路芯片的发展正在趋于饱和。光进铜退已延伸至芯片内部，硅基光电子芯片这一“后摩尔时代的核心技术”已得到发达国家和地区的高度重视，也将为创业界、投资界带来巨大机遇。

    周教授作为硅基光电子学领域的领军学者，近五十年始终坚持在研发工作第一线，致力于推进学术前沿与产业应用，不断为这一领域培养顶尖人才。他一方面呼吁政府加大对硅基光电子芯片这项关键技术的投入，以赶超世界先进水平实现换道超车，另一方面他也希望更多的青年人能够认识到芯片技术在计算机科学以及信息社会发展中的独特价值，为硅基光电子学的发展贡献力量。

    讲座最后，同学们继续就硅基光电子学的应用、中美芯片产业发展以及计算机专业求学等问题与周教授进行了充分的讨论。此次讲座打开了一扇窗，洒下了一束光，让在场师生对硅基光电子学这一原本陌生的领域有了崭新的认识，也看到了中国信息产业的发展空间与潜能。芯片之路，未来可期！

周教授与同学们合影