聊一聊正在爆發(fā)的光子革命與硅光技術(shù)
International Day of Light
前言
本文核心觀點(diǎn)
1.光子芯片是推動(dòng)5G/6G和人工智能發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，以光子芯片為核心的光子產(chǎn)業(yè)對(duì)于通信、顯示與成像、工業(yè)傳感與自動(dòng)化、生命科學(xué)以及安防等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域中至關(guān)重要。
2.硅光技術(shù)是實(shí)現(xiàn)推動(dòng)光子技術(shù)躍升的關(guān)鍵，其在智能傳感、移動(dòng)終端等產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)更緊湊的集成，為智能駕駛、激光雷達(dá)、面部識(shí)別、高速互聯(lián)等應(yīng)用領(lǐng)域提供了創(chuàng)新的解決方案。
3.在光通信領(lǐng)域，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的日益增長，高速率傳輸技術(shù)已成為研究的焦點(diǎn)。其中，LPO技術(shù)以其低功耗、低延遲、低成本和可熱插拔的優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)中心等短距離傳輸場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)顯著；CPO技術(shù)則有望為數(shù)據(jù)中心光互連技術(shù)提供更緊湊、高效、低功耗的解決方案。未來，隨著200G光芯片和硅光子技術(shù)的不斷成熟，傳輸速率的瓶頸將逐步被突破，推動(dòng)光模塊從800G時(shí)代向1.6T時(shí)代，甚至3.2T時(shí)代的躍遷。
4.人工智能應(yīng)用中，數(shù)據(jù)中心的分布式計(jì)算需求日益增長，服務(wù)器間的大量數(shù)據(jù)交換對(duì)數(shù)據(jù)互聯(lián)帶寬提出了更高的要求?；旌瞎?電計(jì)算系統(tǒng)作為一種新興的技術(shù)方向，融合了光計(jì)算的高帶寬和高速度優(yōu)勢(shì)，以及電計(jì)算的靈活性，在計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人學(xué)、顯微學(xué)以及其他視覺計(jì)算任務(wù)帶來了新的機(jī)遇。
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全球光子產(chǎn)業(yè)展望
當(dāng)前，信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)處在“從電到光”的轉(zhuǎn)換過程，光（電）子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成長為一個(gè)龐大的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展呈現(xiàn)出三個(gè)重要的趨勢(shì)。
第一個(gè)趨勢(shì)是，市場(chǎng)規(guī)模和增速仍在持續(xù)擴(kuò)大。據(jù)國際光學(xué)工程學(xué)會(huì)（SPIE）的統(tǒng)計(jì)分析，2023年光電產(chǎn)業(yè)增長超過2.39萬億美元。尤其是2013年-2023年這10年內(nèi)，光電產(chǎn)業(yè)增長了40%，年復(fù)合增長率（CAGR）為4.3%。
預(yù)計(jì)到2024年，光子元器件的收入將達(dá)到3790億美元，光學(xué)產(chǎn)品和服務(wù)的市場(chǎng)規(guī)模每年在7萬億到10萬億美元之間波動(dòng)。隨著相關(guān)技術(shù)的推廣普及，每年光科學(xué)和應(yīng)用約16萬億美元，這意味著光科學(xué)和應(yīng)用約占世界經(jīng)濟(jì)的15%以上。
第二個(gè)趨勢(shì)是，隨著產(chǎn)品向終端用戶靠近，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)潛力也隨之增加。
在對(duì)光電產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深入評(píng)估時(shí)，我們必須全面審視其價(jià)值鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)，這一鏈條從原材料開始，經(jīng)過一系列增值工藝，最終轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)上的成品。它不僅涉及玻璃和半導(dǎo)體基板等基礎(chǔ)材料，還包括光學(xué)元件、子系統(tǒng)，直至最終的光子學(xué)產(chǎn)品和依賴光子學(xué)技術(shù)的各種支持產(chǎn)品。
目前，該產(chǎn)業(yè)可被細(xì)分為多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，包括消費(fèi)電子、國防、顯示技術(shù)、照明、通信、半導(dǎo)體制造、傳感技術(shù)、光伏能源、先進(jìn)制造以及生物醫(yī)學(xué)等十大細(xì)分市場(chǎng)。數(shù)據(jù)顯示，光通信領(lǐng)域以43%的增長率領(lǐng)先，其次是顯示技術(shù)領(lǐng)域的25%，先進(jìn)制造領(lǐng)域的8%，以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的5%。
增長率不僅揭示了各細(xì)分市場(chǎng)的當(dāng)前表現(xiàn)，也為我們提供了關(guān)于未來發(fā)展趨勢(shì)的重要線索。尤其是光通信領(lǐng)域，得益于數(shù)據(jù)中心、智能汽車、5GtoB等應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，光通信解決方案的需求不斷增長，推動(dòng)了行業(yè)的快速發(fā)展。
第三個(gè)趨勢(shì)是，全球光子元器件行業(yè)的分布呈現(xiàn)出“中小企業(yè)（SMEs）主導(dǎo)創(chuàng)新，大型企業(yè)創(chuàng)造行業(yè)收入”的特征。
據(jù)2022年數(shù)據(jù)顯示，約84%的光子元器件制造商屬于中小企業(yè)范疇，年收入低于5000萬美元。至2022年，全球約有4706家公司活躍在此行業(yè)。其中，亞洲以52%的企業(yè)數(shù)量占比領(lǐng)先，其次是歐洲（25%）和北美（22%）。另一方面，大約5%的公司，如三星、康寧、尼康和卡爾蔡司等，創(chuàng)造了行業(yè)85%以上的總收入。
值得注意的是，盡管隨著時(shí)間的推移，中小型公司會(huì)逐漸成長，其在行業(yè)生態(tài)圖中的位置也會(huì)相應(yīng)上升。然而，并非所有公司都能經(jīng)歷這樣的成長軌跡。一些公司可能會(huì)退出市場(chǎng)，一些被收購，還有一些可能因創(chuàng)始人退休而關(guān)閉。這些動(dòng)態(tài)反映了市場(chǎng)的自然選擇和經(jīng)濟(jì)周期的波動(dòng)，也是行業(yè)健康發(fā)展的自然組成部分。
從更為宏觀的層面（即經(jīng)濟(jì)體或國家）來看，光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。為了確保在這一關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，各國政府已經(jīng)制定了一系列計(jì)劃和戰(zhàn)略，旨在推動(dòng)光子技術(shù)的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化。
美國方面：美國政府高度重視光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，認(rèn)為這是維持其全球科技領(lǐng)先地位的關(guān)鍵因素。在這一領(lǐng)域，美國集成光子制造研究所（AIM Photonics）獲得了顯著的投資，這反映了美國在推動(dòng)集成光子技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化方面的重視。
歐盟方面：歐盟已經(jīng)將光子技術(shù)作為其“地平線2020”計(jì)劃的一部分，這是一個(gè)廣泛的研究與創(chuàng)新框架計(jì)劃，涵蓋了多個(gè)科技領(lǐng)域。此外，歐盟通過電子元件和系統(tǒng)聯(lián)合承諾（ECSEL JU）等年度戰(zhàn)略計(jì)劃，進(jìn)一步支持光子技術(shù)的發(fā)展。
日韓方面：兩國在積極投資光子技術(shù)的研發(fā)，以保持其在全球光電子產(chǎn)業(yè)中的領(lǐng)先地位。他們的投資反映了對(duì)光子技術(shù)作為未來經(jīng)濟(jì)增長驅(qū)動(dòng)力的認(rèn)識(shí)。
中國方面：中國對(duì)光子產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)計(jì)劃尤為顯著，特別是在陜西省推出的“追光計(jì)劃”。該計(jì)劃是國內(nèi)首個(gè)以頂層設(shè)計(jì)的方式布局光子產(chǎn)業(yè)的省份，目標(biāo)是形成全生態(tài)體系，并打造全球光子技術(shù)原始創(chuàng)新高地。目前，該計(jì)劃已升級(jí)至2.0階段，并啟動(dòng)了“躍遷行動(dòng)”，這標(biāo)志著中國在加速實(shí)現(xiàn)打造千億級(jí)光子產(chǎn)業(yè)集群的戰(zhàn)略目標(biāo)上的決心。
上述計(jì)劃和戰(zhàn)略的實(shí)施，不僅展示了各國對(duì)光子技術(shù)重要性的認(rèn)識(shí)，也體現(xiàn)了它們?cè)谌蚩萍几?jìng)爭(zhēng)中尋求領(lǐng)導(dǎo)地位的雄心。
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最有潛力新賽道之硅光集成
為什么是硅光？
硅光通信
光通信的發(fā)展受制于交換機(jī)的端口成本與光學(xué)成本之間的關(guān)系。在10G時(shí)，光學(xué)成本約占整個(gè)BOM成本的 10%，而端口+ASIC成本約占 90%。到了100G，這一比例接近 50%，原因是ASIC所提供的帶寬容量（capacity）已經(jīng)大大提高。15年前交換機(jī)是40G帶寬容量，如今單個(gè)ASIC就提供50T帶寬。從40G到50T的擴(kuò)展，極大地節(jié)省了端口的單位比特成本。
硅光計(jì)算
“能耗顯著下降+速率大幅提高”帶來的是更卓越性價(jià)比。
硅光傳感
全球硅光產(chǎn)業(yè)布局情況
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結(jié)語
參考資料
1.光學(xué)和光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究.中科創(chuàng)星
2. Optics & Photonics Global Industry Report 2024.SPIE
3.2024年通信行業(yè)深度報(bào)告：光子的黃金十年，AI拉動(dòng)下的光學(xué)革命.國盛證券
4.瞭望｜光子芯片，能否讓中國“換道超車”？.米磊