在人工智能（AI）、大数据、云计算与边缘计算等新兴技术快速发展的背景下，全球算力需求持续以远超摩尔定律的速度增长。然而，随着晶体管栅极尺寸逼近物理极限，传统单处理器内核电子计算系统越来越难以满足现代AI算力需求，促使电子计算架构逐步过渡到分布式计算架构，由此引入大量电互连。这种“电控电算电传”的范式在规模扩展时面临带宽、延迟与能效的多重瓶颈。

互连技术、GPU和AI模型算力增长趋势图

同时，我国已报道的自主光刻技术目前仍处于深紫外（DUV）阶段，先进的5nm及以下制程受制于国际技术封锁，也对高算力芯片的制造形成制约。为此，融合光子与电子的光电融合技术逐步兴起，旨在通过引入光子通信与计算机制突破互连与算力瓶颈，构建面向“后摩尔时代”的高能效新型通信与计算架构。

光电融合芯片

光电融合芯片是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、光电二极管等电子和光子有源器件和电阻器、波导等电子和光子无源元件，按照一定的回路互连，“集成”在半导体（如硅或铟磷等化合物）晶片上，封装在一个外壳内，执行特定功能的回路或系统。

硅光芯片

硅光是硅基光电子的简称，对应的英文为Sili⁃con Photonics。硅光研究可以追溯到上世纪80年代，起初聚焦于硅基波导的研究。

硅光芯片，本质上是在硅基材料上利用成熟半导体工艺制造的光子集成电路。其核心目标是在微观层面“以光代电”进行信息传输，从而突破传统电子芯片在速度、带宽和功耗上的物理极限。硅光技术并非让硅“发光”，而是利用硅对特定波长（特别是通信波段）光透射的特性，在芯片上“雕刻”出比头发丝还细的微型光路（光波导），让光在其中高速传播。通过集成电光调制器、光电探测器等关键器件，它能将高速电信号转换为光信号进行传输，再将光信号转换回电信号进行处理，实现了光传输与电计算的巧妙融合。

硅材料独特的光学特性，尤其是其高折射率，为亚微米尺度的光传输与调控提供坚实基础。基于硅基光电子技术的光互连在米级以上距离能耗显著低于传统电互连，每比特能耗可低至1pJ，仅为电互连能耗的1/10。英特尔的光电共封装（CPO）技术通过整合硅光收发器，使功耗降低50%，对超大规模数据中心具有重大意义。此外，硅光技术还具有高带宽和可扩展的优势。

硅光引擎前沿进展。（a）CPO交换机互连应用，包括BroadcomBailly交换机、英伟达SpectrumX和QuantumX交换机；（b）XPUOIO互连应用，包括AyarlabsTeraPHY、IntelOCI和哥伦比亚大学研制的硅光引擎

硅光技术的划时代意义在于“路径创新”：它选择了集成电路产业最核心的硅基CMOS工艺作为基础。这意味着，人类耗费数万亿美元建立的全球芯片制造体系，可以直接或经过适配后用于大规模、低成本地“印刷”光子器件，使光子技术能够像电子芯片一样实现纳米级精密制造和规模化生产。这解决了传统分立式光模块体积大、成本高、功耗大的难题。

光电融合芯片与硅光芯片的联系与区别

光电融合芯片是一个更广泛的系统级概念，指在同一芯片或封装内，将光子功能（产生、传输、处理、探测光）与电子功能（计算、放大、控制）深度集成协同工作的任何芯片。

光电融合芯片中所使用的光器件并不限于硅光器件，也可以是基于III⁃V族材料的光器件。由于硅为间接带隙半导体，难以实现高效发光，目前绝大多数采用III⁃V族材料的激光器以补充硅的发光局限性。通过异质外延的方法能够在硅基衬底上生长激光器，但其大规模商业化应用尚未全面实现。同样，光电融合芯片所用的电子器件也不局限于硅基器件，还可以包括基于III⁃V族材料的电子器件，尽管当下硅基电子器件仍是主流。

硅基光电融合

硅光技术为光电融合技术的发展提供天然的平台。光电融合通过将光子器件与电子器件集成在同一硅光平台，实现了光通信的高速和大带宽与电子系统的高精度和高灵活性的完美结合。这种融合不仅突破了传统微电子技术在速度、带宽和功耗等方面的物理瓶颈，为数据中心、高性能计算和人工智能（AI）等领域提供前所未有的算力和能效提升，也为后摩尔时代的信息产业提供可持续发展的技术路径，推动从“以电为主”到“光电协同”的历史性跨越。

从属关系来看，硅光是光电融合的一个重要组成部分，硅光芯片是实现光电融合的最主流、产业化最成熟的路径，我们可以将它理解为“用硅基方法实现光电融合”的典范。

参考来源：

[1]谭旻.光电融合芯片：基本概念与未来展望

[2]周林杰等.硅光集成与光电融合：后摩尔时代的关键使能技术

[3]孙雨欣等.面向超越摩尔时代的硅基光电融合集成研究探讨

[4]薛锦涛等.面向计算光互连的光电融合集成芯片研究进展

（中国粉体网/山川）

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