光电中的FPGA，可编程光子集成电路

电子发烧友网报道（文/周凯扬）过去60多年来，电子已经为科技发展续写了一个成功的历史，靠得正是晶体管、集成电路，而ASIC芯片已经成了不少产品发挥其独特性能的关键。然而，产品上市时间和制造成本很多时候成了最大的拦路虎，从IBS最新发布的数据来看，设计一个2nm的芯片预计成本在7.25亿美元左右，其中软件开发占了大头。

与此同时，越来越多的应用提出了更高的算力和带宽需求，比如自动驾驶、数据中心、未来的6G信号处理和神经计算等等。可随着摩尔定律和登纳德缩放定律带来的效益越来越低，电子技术必须要与其他技术结合才能满足这些要求。

光子集成电路

不少公司将目光看向了光子，光电技术可以提供带宽和更低的功耗，与电子电路充分互补。光子集成电路（PIC）经过这些年的发展，也已经成了一项成熟的技术，无论是激光雷达还是光模块都已经普及了这项技术。与电子集成电路的不同之处在于，PIC会集成激光器、光电探测器、放大器等两个以上的光电器件。

100G光模块 / 英特尔

PIC在传输速度上有着得天独厚的优势，在特定的结构下甚至可以实现远超寻常集成电路的处理速度。但与上文提到的ASIC一样，PIC芯片往往都是基于特定应用打造的，其光路设计和功能已经固定了，所以能用于通用计算的PIC可谓少之又少，大部分还是ASPIC。

为此，可编程光子集成电路的概念就被提了出来，为的就是像FPGA一样，可基于目标功能进行软件重编程，降低制造成本，缩短上市周期。

可编程光子集成电路

以西班牙的光电计算公司iPronics为例，他们借助片上波导和可调谐光束耦合器的网格，可以直接通过软件来对通用硬件进行不同应用的编程。他们将在2023年推出的Smartlight处理器就采用了可编程的设计。

Smartlight可编程处理器分为三层，一层为光子层，集成了灵活的光核心和高性能区块，比如激光器、光子探测器、光放大器、光I/O和六边形的波导网格。另外一层为电子层，负责监控和控制，使用热控来调整光束耦合器调整相移。最后是软件层，支持性能评估和自配置等一系列编程操作，根据iPronics的说法，哪怕是没有硬件或光学专业知识的软件工程师，也能轻易上手。

Smartlight可编程光电处理器 / iPronics

从iPronics给出Smartlight来看，这种可编程PIC可以实现更低的功耗和延迟，以及更高的带宽和密度，那么可编程的特性要如何应用到现有的PIC市场中去呢？iPronics也给出了四大应用场景，包括射频信号处理、光通信、光子计算和传感器。

比如在光通信领域，可编程PIC使得更高效器件的开发成为了可能，在降低功耗的同时，只靠单芯片就执行不同的功能。比如完全可编程的光模块将支持动态光带宽分配，根据不同应用或服务来控制生成的流量。而在传感器领域，可编程PIC可以充当多传感器平台的互联设备，同时访问不同的传感器，比如生物传感器、作为化学传感器的光谱仪等等。而且可编程PIC还能对光学相控阵进行波束成形，这也是OPA激光雷达这样的新兴传感器所需要的功能。

小结

如今的PIC无疑已经驶入了快车道，下一代通信基建、大带宽数据中心和高性能激光雷达都已经有所布局。但PIC目前还是存在三大挑战：1.缺乏更多合格的第三方代工厂，需要更多晶圆厂打造特种工艺平台；2.专用芯片的制造价格过高，一些先进的芯片只有一些大厂才有这个底气去大规模量产。3.如果为了节省成本选择MPW的话，既会增加整体开发时间，也没法大规模量产。所以可编程PIC的出现更多是为了解决以上这些挑战，加快光子集成电路的上市和普及。