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電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/周凱揚(yáng)）過去60多年來，電子已經(jīng)為科技發(fā)展續(xù)寫了一個成功的歷史，靠的正是晶體管、集成電路，而ASIC芯片已經(jīng)成了不少產(chǎn)品發(fā)揮其獨(dú)特性能的關(guān)鍵。然而，產(chǎn)品上市時間和制造成本很多時候成了最大的攔路虎，從IBS最新發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，設(shè)計一個2nm的芯片預(yù)計成本在7.25億美元左右，其中軟件開發(fā)占了大頭。

與此同時，越來越多的應(yīng)用提出了更高的算力和帶寬需求，比如自動駕駛、數(shù)據(jù)中心、未來的6G信號處理和神經(jīng)計算等等?？呻S著摩爾定律和登納德縮放定律帶來的效益越來越低，電子技術(shù)必須要與其他技術(shù)結(jié)合才能滿足這些要求。

光子集成電路

不少公司將目光看向了光子，光電技術(shù)可以提供帶寬和更低的功耗，與電子電路充分互補(bǔ)。光子集成電路（PIC）經(jīng)過這些年的發(fā)展，也已經(jīng)成了一項(xiàng)成熟的技術(shù)，無論是激光雷達(dá)還是光模塊都已經(jīng)普及了這項(xiàng)技術(shù)。與電子集成電路的不同之處在于，PIC會集成激光器、光電探測器、放大器等兩個以上的光電器件。

100G光模塊 / 英特爾

PIC在傳輸速度上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，在特定的結(jié)構(gòu)下甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超尋常集成電路的處理速度。但與上文提到的ASIC一樣，PIC芯片往往都是基于特定應(yīng)用打造的，其光路設(shè)計和功能已經(jīng)固定了，所以能用于通用計算的PIC可謂少之又少，大部分還是ASPIC。

為此，可編程光子集成電路的概念就被提了出來，為的就是像FPGA一樣，可基于目標(biāo)功能進(jìn)行軟件重編程，降低制造成本，縮短上市周期。

可編程光子集成電路

以西班牙的光電計算公司iPronics為例，他們借助片上波導(dǎo)和可調(diào)諧光束耦合器的網(wǎng)格，可以直接通過軟件來對通用硬件進(jìn)行不同應(yīng)用的編程。他們將在2023年推出的Smartlight處理器就采用了可編程的設(shè)計。

Smartlight可編程處理器分為三層，一層為光子層，集成了靈活的光核心和高性能區(qū)塊，比如激光器、光子探測器、光放大器、光I/O和六邊形的波導(dǎo)網(wǎng)格。另外一層為電子層，負(fù)責(zé)監(jiān)控和控制，使用熱控來調(diào)整光束耦合器調(diào)整相移。最后是軟件層，支持性能評估和自配置等一系列編程操作，根據(jù)iPronics的說法，哪怕是沒有硬件或光學(xué)專業(yè)知識的軟件工程師，也能輕易上手。

Smartlight可編程光電處理器 / iPronics

從iPronics給出Smartlight來看，這種可編程PIC可以實(shí)現(xiàn)更低的功耗和延遲，以及更高的帶寬和密度，那么可編程的特性要如何應(yīng)用到現(xiàn)有的PIC市場中去呢？iPronics也給出了四大應(yīng)用場景，包括射頻信號處理、光通信、光子計算和傳感器。

比如在光通信領(lǐng)域，可編程PIC使得更高效器件的開發(fā)成為了可能，在降低功耗的同時，只靠單芯片就執(zhí)行不同的功能。比如完全可編程的光模塊將支持動態(tài)光帶寬分配，根據(jù)不同應(yīng)用或服務(wù)來控制生成的流量。而在傳感器領(lǐng)域，可編程PIC可以充當(dāng)多傳感器平臺的互聯(lián)設(shè)備，同時訪問不同的傳感器，比如生物傳感器、作為化學(xué)傳感器的光譜儀等等。而且可編程PIC還能對光學(xué)相控陣進(jìn)行波束成形，這也是OPA激光雷達(dá)這樣的新興傳感器所需要的功能。

小結(jié)

如今的PIC無疑已經(jīng)駛?cè)肓丝燔嚨?，下一代通信基建、大帶寬?shù)據(jù)中心和高性能激光雷達(dá)都已經(jīng)有所布局。但PIC目前還是存在三大挑戰(zhàn)：1.缺乏更多合格的第三方代工廠，需要更多晶圓廠打造特種工藝平臺；2.專用芯片的制造價格過高，一些先進(jìn)的芯片只有一些大廠才有這個底氣去大規(guī)模量產(chǎn)。3.如果為了節(jié)省成本選擇MPW的話，既會增加整體開發(fā)時間，也沒法大規(guī)模量產(chǎn)。所以可編程PIC的出現(xiàn)更多是為了解決以上這些挑戰(zhàn)，加快光子集成電路的上市和普及。

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原文標(biāo)題：光電中的FPGA，可編程光子集成電路

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