猛擎科普：继碳基芯片之后，华为转向光子芯片

碳基芯片来了，弯道超车！

光子芯片来了，弯道超车！

似乎苹果三星已经被按在地上摩擦，沦为了过去式的老爷车。

近日，有人提到，关于中国科研人员研发的光子芯片，如果能成功，那么将可以应用于华为。而相关人士透露，这主要是因为首个轨道角动量的波导光子芯片被其研发出来，进一步实现光子OAM（轨道角动量）能在波导中近乎无损的有效传输，且就此申请专利。

手机的芯片

一般情况下，芯片工艺的制作是从设计研发，到生产，再到封测三大阶段。后两者还需要用到我们常说的光刻机，这也是制作环节的硬核。它的工作原理类似相片曝光，利用具光线的曝光将掩膜版中的图形纹理给印在硅片上。

所以我们先了解下常见芯片，手机芯片（chip）都是硅材质，且大多采用单晶硅。晶圆（Wafer）就是半导体载体的硅晶片，在该晶圆体中每个小点的单体晶片则是裸片（Die）。

设计芯片时，需要使用EDA方式

即通过CAD软件采用EDA方式实现集成芯片的设计，而设计如果无法做好，则不能达到集成效果，只能算是强硬的拼接。

而手机厂在设计中，要将这一系列的芯片组合在一起，怎么说呢？由于为了不占据空间，采用的ARM（英国一家设计公司）精简指令设计模板，如果单一的芯片，性能非常差。因此要将每个芯片集成起来，但此项技术是大部分企业没有突破的，仅有苹果，ARM，高通，三星等为数不多的企业能做到。

这就是为什么苹果的集成芯片性能好出那么多，以及英特尔比AMD同nm级下，依然比ADM性能强大许多（AMD也是集成，但是没有英特尔做得更好）。其他的企业，一般都是把芯片黏贴在一起组装的，并非做到了集成。

集成芯片是由哪些芯片构成的呢？

一、CPU（即中央处理器），它会在手机或者电脑中进行计算，相当于核心大脑。

二、GPU（即图形处理器），用于显示图形工作处理，目前手机中大多为3D的GPU，间接的给CPU减负，也是除CPU外最核心的一块芯片了。

三、NPU（即神经网络芯片），主要负责视频，图像等多媒体数据处理。

四、MCU（即单片微型计算机，扩容芯片），将CPU的频率跟规格缩减，另一个作用是把运行内存等元件统一的整合在单一芯片中。

五、ASIC（即定制集成电路），将所有元器件集成在电路中，相当于我们常说的电路板，可根据客户设计单独定制。

六、DSP（即数字信号芯片），利用硬件乘法器，来达到对各种数字信号处理的计算工作。

七、FPGA（即半定制电路），是设计可调控，生产即固定的可编程器，弥补定制电路不足与编程器电路数缺陷。

八、SOC（即可定制芯片），属于系统级别，常见的有可用于视频电话等方面（但在国外，其功能远远不止于此），也可以包含CPU、GPU等等。因为具备复杂指令的IP核，加上定制化，导致功能非常多。这个产品的技术含量极高，很少有企业能做出来，目前我国的企业都倒在了这里。SOC芯片是未来手机最主要的发展方向，因为其运行能力远强于其他芯片。

九、BIOS（输入输出芯片），在启动后，对硬件检测与初始化功能。属于只读存储器，不供电情况下也可以保留数据。

十、CMOS（临时存储器），保留BIOS中的设置信息及系统时间，日期等，临时存储器，断电后数据丢失。

十一、DRAM（即动态随机存取存储器），短时间保留数据，需要定时刷新。

十二、NAND（即闪存），它的存储数据不易丢失，断电后依旧可以保留数据，提升了存储容量，一般保障重要数据。

十三、SRAM（即静态随机存取存储器），与DRAM相反，不刷新可保留数据，不过断电后依然数据丢失。

十四、ROM（只读存储器），断不断电都可以保留数据，虽然不是硬盘，但功能类似于电脑硬盘。

十五、IC（电源开关芯片），顾名思义按键开关后，该芯片带动电源。

十六、LED（发光芯片），手机信号灯一闪一闪的，有时候绿色有时候橙色，就是这个芯片在捣鬼，当然除此之外，还负责照明技术。

十七、CIS（传感器芯片），需要配合CIS传感器，两者联通点对点收发，如摄像头至CIS芯片的图像处理等。

十八、永久芯片（别名打印机芯片），因为属于垄断型芯片，所以很多人不知道，但类似于北斗，大多军用。寿命长，无差别工作。

十九、M芯片（视频监控芯片），在国内属于被垄断领域，由三大企业掌控，据说国外的该芯片性能更好一些，但一直无法进入市场。

二十、航天芯片，被垄断行业，倒是有一家民企，未来或许会国企改革。

二十一、北斗芯片，具备基带芯片，RF射频芯片及微处理器的芯片组，国内垄断企业。

二十二、载波芯片，电力网络收发器，具体参数不详，垄断行业。

当然芯片的种类有很多，还有物联网，AI（人工智能，甚至是互交功能），RFID（视频识别），雷达，网卡等芯片。手机的设计商们，需要把以上核心的芯片集成在一起，才能最大化性能。

光子芯片是什么原理？

单光子芯片由英特尔和美国加州大学共同研制，把原本具备发光属性的磷化铟，跟硅的光路融合至单个混合芯片里。于是在增加电压后，磷化铟的光，便会冲进硅体晶片中的波导，从而产生持续的激光束，最终由这种激光束来驱动手机芯片上的器件。

同样的原理在光纤中早已上演，不过其导体为玻璃或塑料。

我们的轨道角动量波导光子芯片，是将以上光在通过波导内以后，能够高效高保真地传输低阶OAM模式，传输效率约为60%。此外，三比特中那“高维量子比特（qutrit）”态，也比硅导体的双比特“量子比特（qubit）”态要好，该波导确实有可能对高维量子态拥有 *** 控和传输的能力。

光子芯片VS硅芯片

事实上，电流传播速度大约等光速，为3 10^8m/s。光子芯片速度比硅芯片提高50倍，功耗却只有其1%，确实能够极大压缩成本。

那么光子芯片是否可以实现

但是，根据目前的研究表明，仍然无法让OAM存在于芯片内部。这一方面是由于生产设备问题，另外一方面，则是 传输中，无法掌握具体数据。以及由于扭曲光本身是自旋波导，加上螺旋形波阵的反冲，导致最后没有找到合适的位置。

不过磷化铟会致癌，属于2A类呼吸级致癌物，当然主要原因还是技术层面的问题。曾经英特尔就表示，此项技术依然需要很久，至少不是目前（十年内）可以做到的，当然等可以研发出的那天，标志着硅光子芯片成本的压缩。

超车的方向很重要

常常有人说就算我们研发了5nm芯片或者光刻机，但是西方 科技 肯定更领先，绝对不能在一棵树上吊死，要弯道超车云云。

其实这是需要有一定的知识储备或者说基础才行，如果在条件未充足的情况下，那么就像一辆三轮车想以60码速度超过 汽车 ，在弯道上就会翻车，没什么可以继续老话长谈的。甚至在芯片领域，我们什么都没有，研发，生产，设备等等，这就更应该扎实基础。

哪怕要弯道超车，也选择我们较有优势的领域，超到全球一流或者顶级，这个可能性总比芯片来的高。不知道楼下的读者们，是怎么认为的呢？

从命名的角度来看，i9 比目前已经存在 i5、i7 等系列更加高端强大；实际上，英特尔对 i9 的定位正是“极致的性能与大型任务处理能力”；而它的性能则主要表现在“诸如虚拟现实内容创建和数据可视化等数据密集型任务的革新”。

也就是说，i9 处理器的真正面向对象，是超越 PC 普通任务之外的 VR 内容创建等需要处理大量数据的任务。

据 Gregory 介绍，英特尔 i9 整体都是性能强悍的，不过也分为 5 个不同版本。其中最低版本拥有 12 核心和 24 线程，售价 999 美元； 性能最强的是英特尔 i9 至尊版处理器（i9 Extreme），它是拥有 18 个内核和 36 线程的首款消费级台式机 CPU，售价 1999 美元。

酷睿 X 系列处理器家族

实际上，在推出 i9 处理器的同时，英特尔也整合现有的酷睿 i5 和 i7 处理器，共同推出了酷睿 X 系列处理器产品家族；按照 Intel 的说法，这一产品家族是英特尔历来最具可扩展性、可访问性和最强大的台式机平台，可以针对不同价位推出 4 到 18 个内核的多个选项。

从目前的情况来看，酷睿 X 系列处理器的入门款设备为 i5-7640X，它拥有 4 核心和 4 线程，售价为 242 美元；而最高端设备就是上述的 i9 至尊版处理器。也就是说，酷睿 X 家族的产品售价在 242 美元和 1999 美元之间。

为了配合 i9 处理器和酷睿 X 处理器家族的诞生，英特尔还将推出型号为 X299 的主板芯片组，该芯片组将与所有酷睿 X 系列处理器兼容，预计未来一段时间里会在合作伙伴的产品中出现。

在芯片架构方面，英特尔也对第六代 Skylake 平台进行了更新，命名为 Skylake X。而 X 系列中最为低端的两款 4 核芯片，i5-7640X 和 i7-7740X 将基于第七代 Kaby Lake X 平台。

另外，英特尔正在对睿频加速技术（Trubo Boost）进行更新，并将推出英特尔睿频加速 MAX 30（Trubo Boost Max 30），该技术的核心在于，该技术可以识别性能最出色的两个内核，让这些内核承担关键工作负载，以实现单线程或多线程性能的大幅提升。

英特尔表示，在多线程条件下，酷睿 X 系列的提升能比上一代多出 10%；单线程则为 15%。

从 PC 公司到数据公司

i9 和 酷睿 X 看起来耳目一新，令人振奋，不过对于普通消费者而言，真正值得关注的是还是下一代酷睿处理器。而 Gregory Bryant 也在演讲中宣布，第八代处理器将在圣诞季前推出，比第七代拥有 30% 的性能提升；最为对比，第七代比第六代的提升为 15%。此前有消息称，第八代有可能被命名为 Coffee Lake，不过目前因特尔并没有公布它的确切名称。

除了处理器，英特尔在其他相关的方面也不遗余力。比如说，英特尔与 HTC 合作，利用 WiGig 技术，推动 HTC Vive 摆脱线缆的束缚；与宏碁、戴尔、联想等厂商推出基于英特尔架构的全互联（Always Connected）PC，重点在于强调电池续航和网络连接功能。

此外，英特尔还推出计算卡，它的主要特点是只有一张xyk，但提供一台完整计算机的功能。计算卡并非是为 PC 而生的，它主要用于智能屏幕、互动外设乃至智能工厂等。也就是说，计算卡更适用于英特尔一直在强调的“物联网”战略。

上述所有的动作，都似乎在印证着 Gregory Bryant 所说的：英特尔正在转型，从一家 PC 公司转型为数据公司。今年 4 月，英特尔也令人吃惊地宣布，取消已经举办 10 年的 IDF （Intel Developer Forum）大会，这也被视为英特尔从 PC 转型的一个大动作。但这次发布会的一系列动作来看，PC 对于英特尔依然有着不可或缺的价值。

频谱芯片是指用于射频接收和发射的集成电路芯片，其应用范围广泛，包括通信、无线电广播、雷达、卫星通信等领域。以下是一些频谱芯片上市公司的例子：
1高通(Qualcomm)：全球领先的无线通信技术供应商，提供各种高性能频谱芯片。
2英特尔(Intel)：全球最大的半导体芯片制造商之一，提供高性能的无线通信芯片。
3博通(Broadcom)：全球领先的半导体芯片制造商，提供各种射频芯片和无线通信解决方案。
4德州仪器(Texas Instruments)：全球领先的半导体芯片制造商，提供射频和无线通信芯片。
5瑞萨电子(Renesas Electronics)：全球领先的半导体芯片制造商，提供各种高性能频谱芯片。
6恩智浦(NXP Semiconductors)：全球领先的半导体芯片制造商，提供射频和无线通信芯片。
7西门子(Siemens)：全球领先的电子技术公司，提供各种射频芯片和通信解决方案。
8华为(Huawei)：全球领先的通信技术供应商，提供各种高性能频谱芯片。
9中兴通讯(ZTE)：全球领先的通信技术供应商，提供各种射频芯片和无线通信解决方案。
10山特维克(Skyworks Solutions)：全球领先的射频半导体芯片制造商，提供高性能的无线通信芯片。
以上只是一些频谱芯片上市公司的例子，还有许多其他公司也在这个领域中拥有一定的市场份额。

截止2023年3月22日，世界上最大的CPU及相关芯片制造商是英特尔（Intel）公司。该公司总部位于美国加利福尼亚州，是全球最大的半导体芯片制造商之一，产品覆盖了个人电脑、服务器、物联网、人工智能和5G等众多领域。此外，英特尔公司还与苹果、戴尔、惠普等众多知名公司合作开发和生产芯片，具有重要的市场地位和影响力。其他知名的CPU及相关芯片制造商还包括台湾的台积电（TSMC）、美国的高通（Qualcomm）、英国的ARM等。

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