由 jpichiban 2025/02/28
中国正在加速使半导体与光传输实现一体化的“光电融合(硅光子、Silicon Photonics)”的研究开发。从该领域的各国和地区的专利申请数来看，中国在2022年以后跃居世界第一。由于美国对中国实施半导体管制，中国在开发尖端半导体方面遇到困难，在此背景下，中国希望通过改变游戏规则的技术实现反超。如果中国企业的商业化扩大，对日本来说也可能成为难以对付的对手。
“光电融合”技术有望大幅削减数据中心的耗电量
在光电融合领域，各企业展开激烈竞争的是IC芯片及其周边的数据由光代替电来实施传输的技术开发。通过光的数据传输具有速度快、比起基于铜线的电传输损耗少等优点。如果能应用于电力需求激增的AI(人工智能)数据中心用芯片，将有望大幅削减耗电量。
“光电融合有可能彻底颠覆半导体产业，重新定义美中技术竞争中的战线。美国目前还没有赢得这场竞争”，在美国联邦众议院担任“美中战略竞争特别委员会”主席的约翰·穆莱纳尔(John Moolenaar)于2024年10月写给美国商务部长吉娜·雷蒙多的书信中发出了这样的警告。事实上，在各地方政府补贴的推动下，中国的光电融合研发正在加速。
在光电融合领域的各国专利申请数方面，美国此前长期独占鳌头。变化出现在2017年前后。日经XTECH利用Patentfield（京都市）的专利分析工具进行的分析显示，从2017年前后起，中国的申请数量急剧增加。到2021年已逼近美国，2023年的申请数则达到约800件(数据截至2025年1月，以下同)，达到美国的2倍以上(图1)。
图1 光电融合领域的各国和地区的专利申请数
截至2023年，从申请数量来看，依次为中国大陆、美国、日本和台湾。由于专利申请内容的公开是在经过1年半之后，因此截至2025年1月，2023年和2024年的数量相对较少(来源：日经XTECH使用Patentfield 的数据制作)
中国大陆的申请人几乎都是研究机构
与其他国家和地区相比，中国大陆的专利申请人也有独自的特点。其中大部分申请人不是企业，而是大学等研究机构。
与全球的光电融合领域的专利申请情况相比，这一差异尤为突出。从2020～2024年的5年间专利申请数来看，台积电(TSMC)位居首位，美国格罗方德(GlobalFoundries)、日本NTT、美国英特尔（Intel）次之。除了NTT之外，均为半导体制造商(图2)。
图2 2020～2024年的5年间的光电融合领域专利申请数
按权利人和申请人顺序排列，选取了前5名。在日本企业中，NTT引人关注(来源：日经XTECH使用Patentfield 的数据制作)
如果仅限于中国大陆，以同样方式观察该领域的专利申请人，会发现几乎没有企业出现(图3)。在5年里，浙江大学以84件排在首位，排名靠前的还有吉林大学、上海交通大学、中国科学院旗下研究所以及之江实验室等。之江实验室是2017年新成立的政府与民间共同参与型研究机构，由浙江大学等提供支持。排在专利申请人前列的大部分是中国国家的研究机构，企业只有华为技术等(图3)。
图3 2020～2024年的5年里中国光电融合领域的专利申请数
按申请人顺序排列，选取了前5名。大部分是国家的研究机构。在中国境内申请专利的台积电和格罗方德也名列前茅(来源：日经XTECH使用Patentfield 的数据制作)
中国加快关键技术向产业应用转化
近年来，中国的相关研究也加快了从关键技术向产业应用的转化。中国无锡市滨湖区人民政府2024年9月发布的消息显示，在上海交通大学内，中国首条光电融合的试生产线已经投产。预计将涉足将芯片和光学零部件安装在同一基板上的“共封装光学（Co-packaged Optics、缩写为CPO)”业务。
据上述发布的消息，无尘车间的面积约为6000平方米。未来计划每年量产1万枚150/200mm晶圆的光电融合芯片。
陕西省力争在光电子领域形成1000亿元规模的产业集群。在该省，光电融合领域的研发设施正在建设，此前提出了2024年内竣工的计划。计划开发130nm制程的光电融合技术，还将推进商业化。
中国在光电融合芯片的研发方面也开始取得成果。2024年9月，作为中国半导体研发机构的湖北九峰山实验室通过异质集成(Heterogeneous Integration)，成功将激光光源嵌入硅芯片的内部。这相当于将CPO、光学部件和CPU(中央处理器)、GPU(图形处理器)等处理器以小芯片集成到同一封装中的“光I/O”那样的光电融合技术。
在现阶段，在光电融合的产业应用中，中国在世界上的存在感仍较弱。在CPO开发方面，台积电、英特尔、美国IBM、博通(Broadcom)和日本NTT等企业处于领先(图4)。从光I/O来看，美国初创企业Ayar Labs已完成开发。不过，中国有提供巨大云服务的百度(Baidu)和阿里巴巴集团(Alibaba Group)等。如果研发的成果能够推动量产，在百度和阿里巴巴的AI数据中心，有可能抢在世界之前扩大应用。
图4 美国IBM在2024年12月发布的CPO的开发产品
AI数据中心的耗电量将比以往减少80%(照片：日经XTECH)
在光电融合领域申请专利数靠前的日本企业是NTT和京瓷。NTT提出目标称，到2032年使相当于CPO和光I/O的技术实现商用化。日本政府的半导体战略也显示出2030年以后加快对光电融合的支援、掌握该领域主导权的姿态。如何牵制中国的猛追，早日赢得光电融合市场？日本政府和日本企业需要迅速采取行动。
久保田龙之介 日经XTECH／AIDataLab
资料来源：
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Original article: http://cn.nikkei.com/columnviewpoint/column/58022-2025-02-28-05-00-53.html?print=1