• 产品名称:华为战略研究院布局中科创星倾力投入光子产业
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  • 发布时间: 2021-06-27
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  相对于电子驱动的集成电路,光子芯片有超高速率,超低功耗等特点,利用光信号进行数据获取、传输、计算、存储和显示的光子芯片,具有非常广阔的发展空间和巨大的潜能。未来,光子芯片将成为5G和人工智能时代的关键基石,5G网络技术快速发展,信息传输容量和速率关系国计民生,光通信产业由此成为各国战略布局的重要领域。谁能率先在光芯片技术上实现突破,谁就能抢占光通信产业链的“制高点”。面对汹涌而至的新一轮科技革命和产业变革,光子也成为中国实现未来技术超越和产业变革的重要抓手。

  目前光子技术已经覆盖了信息产生、获取、传输、交换与处理等各个环节,并通过深度融合产生出智能驾驶、智能机器人、新一代通信等新的应用领域,呈现井喷式的发展态势。

  在这样的行业背景下,11月24日,主题为“聚合产业势能,开启光子元年”的2020 中国光子产业高峰论坛在京盛大开启。

  本次大会上,多位光子技术、产业、资本大咖共同探讨了光子领域最新技术和研究方向,光子行业发展热点、难点议题和市场趋势。

  近年来,华为加速布局光芯片领域,比如在英国购置500亩地建设光芯片厂,收购了英国集成光子研究中心CIP Technologies以及比利时硅光技术开发商Caliopa等,这些都展示了华为对光芯片领域的重视。

  目前,华为在通讯领域已经走到了世界的前列,此外,华为已经从技术积累转变到了部分的技术领先。任正非要求,不要迷失方向、不错失机会。在这个背景之下,2019年华为公司战略研究院成立了,其定位是面向5-10年甚至更长期的技术布局,还有商业场景和商业机会的发掘。

  华为战略研究院首席分析师刘麟表示,在对信息领域的探索当中,我们发现光子技术是信息链条当中最重要的技术,在物理世界四大基本要素上,声光电磁,电子技术应该有着比较广泛的应用,但是比较遗憾的是电子技术遇到一些卡脖子的问题。光子技术在国内有有很好的技术积累,并且在信息传送的链条当中,光子技术从光传感、光计算、光存储、光通信、光显示得到了进一步的应用,而相关的技术装备制造也离不开光子技术的发展,比较典型的就是光刻机产品。没有光子领域的发展,信息领域也很难得到进步。

  从光子产业的整体来看,我们发现光子产业有三个主要的特征,第一个光子产业直接规模非常大,到2020年将会达到3200亿美金,就是盘子大。第二,我们发现光子产业增长速率非常高,达到7%以上。大家知道普通的ICT增长速率是2-3%,光子产业是它的2-3倍。第三个特征,光子产业杠杆效益非常大,它能够驱动超过2.6万亿美元产业规模。所以说光子产业它的金币效应非常大。那么具体来看,光子产业它最重要的市场是消费与国防两个市场,但是更进一步的光子技术势能了先进制造、新能源这样的新兴战略性行业,所以也有着非常大的社会效应。全世界各国都认识到光子产业的重要性,所以他们积极的在科研、政策,在产业政策,甚至是产业联盟的创建,还有我们的直接研发资助方面积极投入,试图占领光子产业的制高点。

  信息领域对光子产业的需求非常旺盛。但实际上光子技术本身也在微型化与集成化方向得到迅速发展并取得一定的突破。国内的基础技术还有基础的材料,我们的生产装备都得到了比较大的改善,在这种情况下有力支撑了上层光子技术的发展与应用。举例来说我们在光传感领域,激光雷达的势能,自动驾驶改变了人们的出行方式,在光存储领域有了玻璃光存储,存储时长可以达到上万年,基本满足了人类对信息不丢失的愿景。今年我想跟大家着重介绍的是三个主要的领域,就是光显示、光通信、光计算领域,着重分析部分的技术发展趋势,还有应用场景,还有一些技术挑战。

  第一个领域就是华为非常关注的传统ICT光通信领域。在光通信近40年的发展过程当中,从第一代的多模光纤多模激光器,再到第二代单模光纤单模激光器,再到我们引入多波长的放大系统,进入非相关的波分时代。在第五代我们引入片分相关监测的波分时代,我们的速率从每秒45M,一直到现在的单波长800G,容量提升了6个数量级。另一方面我们的距离从10公里到现在的620公里,光通信技术始终围绕着挑战更大带宽、更长距离的方向发展。

  下一代的光通信技术怎样才能满足这样的需求呢?我们认为很可能就是空分复用技术。我们发现研究了以后,就是在光通信领域的5个可携带信息量的上,偏振、时间、相位、频率已经得到了极限,而我们的空分领域却有很大的增长空间。这样说的空分复用,不是指仅仅把光纤进行提速,提升光纤密度的分数。而是在一根铅芯里面复用的方式,我们认为有望在未来5-10年可以进一步把通信容量提升10-20倍。

  在空分复用系统的架构下,需要哪些技术特征才能满足我们的需求?我们认为在不同的场景中,会有不同的挑战和关注点。那么在短距离场景,处理相对简单,是点到点的模型。产品形态可能是我们的交换机、路由器。关注点就是低成本、大带宽、高集成、易运维。长距,组网形态是网状形态,产品形态是类波分形态。除了考虑短距的技术要求之外,还要考虑光交叉、光放等等复杂的技术,并且要考虑到在具体的工程实施、工程部署当中遇到的实际问题。那么综合成本最优,就是我们最主要的考虑因素。落实到具体的技术上来,那就是对光模块有10-100倍速率提升的要求,需要高维复用技术,光纤要考虑综合成本最优制造部署,光放需要针对多芯、多模进行放大,还有光交叉,再包括算法,实际上构成了空分光复用体系。除了上述介绍的技术本身,我们认为还需要建立合适的上下游生态,需要产业界与学术界的共同努力。

  下一个就是光显示领域。大家都知道人类信息的80%都来源于我们的视觉,所以光显示技术是连接我们在当前的数字世界和真实的物理世界中最关键的一个桥梁。事实上光显示技术的每一次变革都促进了信息产业的发展,包括从最开始电视机发明,电脑的应用,还有手机的普及,都离不开我们光子产业推动作用。从光显示自身的发展,它有着从黑白到彩色,从我们的模糊到高清,从笨重到便捷甚至是可触摸、可折叠。我们的应用体验也得到了极大的提升,我们认为下一跳可能引发人类体验提升的方向,就是后边写到从平面到立体,也就是3D显示技术。大家可以回忆一下阿凡达上映,引发了观影的热潮。所以事实证明3D交互式应用有望在消费电子、先进制造、精准一笑医疗等领域,创造新的产业模式与消费的新形态。

  光显示领域有两个主要的技术路径,一个就是近场显示,还有就是裸眼显示。前者比如说谷歌、三星、微软等等,他们推出了很多的产品,也取得了一定的成绩。但是这次想跟大家重点讨论的是裸眼3D的技术路径。因为裸眼3D摆脱了沉重式穿戴设备的约束,因此有着更广泛的产业应用。那么对裸眼3D也有着三条技术途径,有双目视差3D方案,右边是3D全息显示。它的技术原理,使得我们人的长期使用会有眩晕的感觉。那么对于右边的3D全息显示,披露了光场信息,对光器件还有后端处理有比较大的挑战,技术难度比较高,我们认为相对远期。目前是单点技术进行研究,并没有看到系统级方案。

  当前我们的3D显示应该主要是集中在3-5年光场显示技术上边,光场显示技术可以在一定的范围内,人的双眼可以连续的获得物体的3D显示角度和空间信息,使得观察者在不同的角度可以看到不同的画面,形成3D显示的效果。这里面有一张动图,动图可以看到它的正面和侧面,Looking Glass公司的产品显示了正面与侧面,效果栩栩如生,可以支撑多人多视角的观感,并且兼容手机平板的显示设备,我们认为目前最有可能技术成功与商业成功的3D裸眼技术。

  即使是这种比较平衡的3D光场的裸眼显示方案,技术上也有很大的挑战。第一个挑战就是3D显示技术本身,它需要宽视角、轻薄、无眩晕的技术,还需要一定分辨率、大面积显示技术,还有相关的高容量的驱动技术的支撑,可以看到我们的显示面板为了达到比较好的裸眼体验3D效果,在6寸需要8K、16K这样的分辨率,比当前的技术要提高4-8倍。所以说,这一切都依赖于上下游产业链协同。更前端需要内容平台建设,还有开发3D拍摄系统,可以看到裸眼3D技术有着非常大的挑战,但是我们认为做一个杀手级应用,可以促进显示产业升级,推动产业升级,推动整个信息产业的变革。

  下一个关注的领域与场景就是光计算。背景就是大家知道的摩尔定律放缓,另外一个冯氏架构,大量的数据搬移,产生了大量的能耗。在需求端,我们的算力无处不在,需要超低延时的超低功耗,并且由于算力的渴望,对算力的渴望,我们又消耗了大量的能耗,能耗应该说是难以为继的。在这种情况下大家都反思,我们能不能改进我们的技术架构,比如说异构式计算,改变我们的计算原理,比如说物理计算、模拟计算的方式来解决前边提到的这些问题。光计算就是其中一种非常有前景的方向,光子和电子相比,它的传输速度快、信息维度多、并行度高、带宽大、能耗低,因此也有一些潜在的应用包括我们可以在高速通信、AI协助处理、图像处理等等方面。

  其实光计算本身也有着不短的历史,我仅列出几个关键的节点:第一,70年代提出了光学乘法器模型;第二个阶段2000年左右发布第一台商用的光学DSP处理芯片,一直到2017年MIT沈一诚(音)用片上做了阵列,实际上就是AI加速芯片的原型,并且针对模式识别做了简单的验证,这样又引发了对光计算的研究热潮。纵观光计算历史我们发现有两个技术特点,第一就是从数字到模拟,第二个特点就是从分离到集成,像电子芯片一样。当前我们的光子集成技术,确实支撑了这种梦想。

  下面看一下光计算芯片的可能,光计算芯片相关的几个器件,包括激光器、探测器、片上无源器件,还有片上调制器。柔到光计算当中,会发现有四个问题,第一个就是大规模问题。光计算遇到的大规模问题,在我们以往场景当中是没有见到过的;第二个问题就是高精度与高稳定性问题,这是模拟计算遇到的通用问题,在工程化和正常的商业化需要得到解决。第三,高速度。有了高速度,高计算可以有更广泛的应用场景。右边我们也说到光计算,它和电子器件短时间内还是长期共存的情况,所以需要一个光电混合封装技术集成,可以说挑战非常大。但是好消息是2020年Hotchips发布了Demo,可以做到64*64、10Hz,3D,我们对光计算有着很大的期待,也认为光计算有很大的前景。

  再举两个光计算在通信领域的应用,一个是在无线领域,天线数量多,高维矩阵运营复杂高,我们可以利用光计算在这方面进行应用。右边是光传输系统,光信号得到长期传输之后得到了损伤,我们考虑光计算在这方面应用。前面介绍光计算AI协助处理器等等,也有很好的研究前景,也值得我们大家去挑战。

  光计算非常重要,并且前边介绍了很多技术挑战,那么华为公司怎么来和学术界一起共同努力,来克服这些挑战。我们认为作为一个商业化公司,我们是以市场需求为牵引,以此为牵引我们有八大战略研究倡议,光子技术是一个非常重要的方向,我们与高校、研究机构共同讨论方向、制定研究计划,并且与他们一起创建联合实验室。比方说我们跟南方科技大学创建了光子产业创新联合实验室,进行光显示部分的研究。最后我们在各个区域创建了博士后流动站,通过人才吸引、人才培养的方式,共同促进光子产业的发展。

  传感器可以将现实与数字世界联系到一起。“光”是一个很重要的载体,还有传播方式,所以,光电传感也会在未来起到越来越重要的作用,京东方则可通过其在显示面板领域的积累和优势,平滑地向薄膜光电传感领域演进。

  京东方传感器及解决方案事业群技术研究院院长车春城表示,京东方之前做显示器件,显示就是通过电,电流、电厂或者对我们各种各样的光进行激发还有控制。反过来的话,我们的传感那就是通过对光信号的采集处理、分析,这就是一个典型的光电传感器的架构。

  京东方经过这么多年的耕耘,我们在光电领域主要积累了两大部分的能力,第一部分就是电的能力,电的话就是通过我们大规模的TFT阵列技术,我们对电进行处理、分析。第二部分就是我们的光的技术,我们也是通过各种材料、架构,对光进行分割和重构。这两个技术同样我们可以延伸到光电传感领域。同时我们京东方目前也是在制造领域,在全国布局了14条的光电显示的产线,制造规模足以满足我们现在的光电传感的发展支撑。这就是我们大体上我们做光电传感的逻辑。

  在生产工艺方面分为成膜、成型化、封装。成膜通过各种各样的工艺,做成几百到几百微米都可以,尤其现在掺杂技术在不断的探索,通过掺杂我们对光电器件有了更多的应用空间。第二个就是PVD CVD技术别为了满足新的一些传感的需求,因为传感可能有些要求精度比较高,有些比较低的话,我们也布局了其他的MM等新的技术。在封装的话,柔性、刚性、膜性封装都是比较成熟了,封装工艺与产业链这些伙伴一起在共同的搭建生产工艺的平台。

  第二个在器件设计部分,根据传感的特性我们分为转换、处理、控制三部分。在光转换部分,我们通过材料设计、半导体器件设计,实现各种各样的光,转换成不同频谱的光或者转换成电的信号。再有就是光的控制,通过材料、结构进行一些滤波等器件的设计。

  第三部分就是通过现在的半导体器件,实现对信号的采集、放大、降噪等处理。有了我们的生产工艺、器件设计基础上,结合外围一些电路、软件、算法等等外围平台,实现完整的系统应用。系统应用我们现在还在不断的探索,比如说医疗影像、调光、指纹识别、生物检测相关的,这就是我们做光电传感详细的技术能力。

  近些年,一批专注于光电技术和产业发展的投资机构和初创企业得到了越来越多的关注和尊重。以中科创星为代表的投资机构在材料、外延、芯片、设备、显示等产业链环节均率先进行深入布局,目前,这些投资机构和芯片企业都做出了成绩。

  “光学将成为未来科技的核心,光子科技是中国科技换道超车的大好机遇。”中科创星创始合伙人米磊所做的这个判断,正在成为现实。早在2014年,中科创星便已侧重在光电领域的布局,以突破“卡脖子”技术为目标,在信息的获取、传输、存储、计算、显示与交互等细分领域持续组网“修路”。目前已经累计投资了鲁汶仪器、阿达智能、橙科微电子、锐思智芯、芯声智能、本源量子、洛微科技、赛富乐斯等在内的90余家半导体企业。值得一提的是,国内比较出色的光子芯片公司——曦智科技、鲲游光电、源杰半导体等都是中科创星重点投资的明星项目。

  谈到半导体产业,米磊认为,中国现在面临的问题是芯片卡脖子,卡脖子如何解决?既要解决过去卡脖子的问题,同时也要面向未来布局前沿技术,如何在未来20年、30年,我们能够在一个新的赛道上实现换道超车,才能不断解决卡脖子的技术,这是我们需要考虑的。

  半导体的设备只有几百亿的产值,但是支撑了半导体制造4600亿产值,又支撑了下游电子系统,包括手机、电脑几万亿美金的产值,同时支撑了下游互联网、人工智能等应用几十万亿产值。所以过去我们关注在上层应用,很少有人做底下半导体制造设备,这就是为什么任正非为什么讲根技术,根技术属于产值没有下游大,但是产值大。中国过去大家过于追求GDP,过于追求规模,导致没有人做价值很大,但是规模不大的东西。像光刻胶,日本给韩国禁运光刻胶,韩国产业链就会崩盘;美国卡我们光刻机市场,中国整个半导体制造业就会崩溃。怎么办?我们必须把根技术与硬科技做出来。就跟我们跳水比赛一样,我们的评分要有难度系数,做光刻机的难度系数就应该是10甚至100,这比做互联网应用价值要大很多。我们要把难度系数加下去,这才是客观的评价。

  中国的产业龙头出现一些问题,大家更愿意去做组装,更愿意都做竹林,都是快速成长,然后拿来主义,很少有人愿意去做这些核心的芯片、技术硬科技的冠军企业,这些企业可能产值没有那么大,但是它对产业链贡献很大,能够支撑大企业健康发展,我觉得应该更多支持这样的企业。

  同时像ASML这样的公司,打造了一个开放的创新网络体系,既连接全球上游顶尖供应商技术,又拿到下游厂商投资,同时跟高校研究院形成开放的网络体系,最后才能支撑ASML顶尖的全球化的技术。像这样的技术,只能用全球的创新网络体系才能支撑。所以我觉得中国今天要打造创新开放的网络,没有这样的网络,没有办法支撑我们把光刻机这样巨大复杂的网络研发出来。所以我们一直在试图构建解决目前大家不投芯片的问题,我们要打造产业平台,就是像光电子专业化的平台+光电子基金的方式,来支撑像光电子芯片非常难以创新的技术,周期长、技术难以大、人才稀缺,所以需要用更多的平台+基金的方式支撑他们的发展。

  米磊表示,我们未来要在北京构建硅光这样的平台,包括III-V机来支撑手机应用,硅光平台将来支撑云计算、数据中心、5G、自动驾驶的激光雷达,包括AR、VR演进,包括新兴产业应用,这些是下一步我们需要构建的。我们现在在布局消费光子、信息光子、工业光子、生物光子。在工业光子领域我们有超快激光,解决半导体加工的难题。还有很多的生物光子,有微光医疗,包括北大陈院士双光子显微镜,这些都是各个领域的用途。我相信随着光子的发展,光子技术一定会在各个产业迎来更大的应用。

  中科创星的愿景是共建硬科技创业雨林生态,成为科技创业者首选合作伙伴。我们希望到2050年,给中国培养1000家世界硬科技冠军企业。哪怕产值只有几个亿,但是为产业安全,为国家产业健康发展贡献巨大的力量,而且能够成为行业的标杆。所以我们今年跟科技部的火炬中心在做一个硬科技目录的规划,围绕五大领域,20多个关键产业技术方向,梳理了200多项关键核心技术,这些技术一部分是卡脖子技术,一部分是面向未来战略新兴技术、颠覆性技术,可以支撑中国未来行业的发展与产业安全。

  北京汇聚了全国顶尖的科技资源。拥有12位光电领域中科院两院院士,30多个具有国际影响力的优势研发团队、5个光电子领域国家级实验室、近20个与光电子技术相关的市级实验室、工程中心及科学中心,研发实力领先全国。积累了一批国际领先成果,同时孵化出了一批优秀光电子创新企业,并通过产学研合作,不断提升企业创新能力,积极推动成果落地转化。而亦庄拥有大量从事前沿光子技术创新的研究机构及创新企业,同时拥有良好的半导体制造产业基础,拥有类似中芯国际、京东方、燕东微电子等一批半导体龙头企业。

  打造光电子产业集群,不仅对于北京未来提升产业核心竞争力、占据产业制高点、带动经济突破性增长具有重要作用,还事关国家科技安全、产业安全、经济安全和国防安全。同时对亦庄产业升级发展,助力北京建设具有全球影响力的全国光子产业科创中心,打造集科技资源统筹、战略智库规划、国际前沿产业化技术研究、高端创新创业人才引进、创业投资与孵化为一体的光电子互通平台具有重要战略意义。

  本次高峰论坛还设置共同推动北京光子产业创新发展项目签约仪式。包括北京电控&西科控股的战略合作签约,以及电子城高科&西科控股、北京电控产投&中科创星、燕东微电子&陕西光电子先导院六方集中签约,旨在打造光电子产业集群,进一步提升北京光子产业核心竞争力,抢占未来经济及科技发展制高点。

  除此之外,来自浦丹光电、外号科技、摩尔芯光、锐思智芯、中科镭特、中科慧远、卓镭激光、凯普林光电等8家光电领域硬科技企业在限定时间表达公司在研发领域、市场痛点、竞争格局等方面的发展,并进行了资本、上下游的产业对接。

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