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光电子技术的“破茧”之路

■本报记者胡珉琦

近日，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）“半导体光电子器件及集成技术”入选了中科院“率先行动”计划第一阶段重大成果及标志性进展。

作为国家信息产业的基础技术之一，光电子技术在宽带互联网、高性能计算、智能机器人、先进制造和智慧城市等多个领域起到关键性支撑作用。它也因此成为了衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

认准了半导体光电子器件及集成技术是构建未来信息社会的核心和基础，半导体所在“十二五”和“十三五”期间，分别将其作为重点培育方向和重大突破方向，坚持面向国家重大需求，突破半导体光电子器件及集成技术的瓶颈，研制出自主可控核心光电子器件，以实现其在光通信、光互连、光传感等领域的典型应用。

在限制中突破

新一代信息技术、机器人、航空航天装备、新能源汽车、新材料、生物医药及高性能医疗器械等，这些中国制造重点领域都离不开一项支撑技术——激光技术。

而半导体激光器是全固态激光、光纤激光、气体激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我国在激光芯片方面的发展现状却是低端芯片依赖进口，高端芯片受制于人。

1996年11月开始实施的《瓦森纳协定》明确了对中国禁运的半导体激光芯片的清单，且随着技术的演进，每年清单中的器件类型、器件指标都在不停更新，旨在将中国的半导体激光器应用技术限制在低端水平。

2003年博士后研究工作结束后返回半导体所的郑婉华，只想到了一条出路——突破高性能激光芯片技术，而且必须探索一条自主发展的道路，实现换道超车。

当年她向科技部提出建议，中国应该创新发展光子晶体半导体激光器新原理与新技术，解决半导体激光面临的功率密度低、光束质量差的世界性难题。这一提议不仅获得了“863”项目的支持，后期也得到了国家自然科学基金等新项目的帮助。郑婉华团队在2006年率先在中国实现光子晶体激光的突破，中国也成为了当时实现光子晶体激光激射的少数几个国家之一。

许多半导体人都有着和郑婉华一样的境遇和经历。“限制”反而成了光电子技术突破的磨刀石。

同样艰难迎战的还有光通信芯片团队。国家宽带网络建设的核心芯片，以前主要掌握在美国、日本、韩国、丹麦及英国等国的几家企业手中，中国以进口芯片封装为主。面对国家光网络建设需求，半导体所经过10多年的技术攻关，不仅解决了光分路器及AWG芯片设计及关键工艺问题，还实现了光分路器及AWG的成果转化。如今，光分路器芯片全球市场占有率达50%以上，AWG芯片实现海外市场突破，有力保障了我国宽带网络建设芯片的自主可控，促进了我国硅基光子学器件的产业链完整性建设。

度过漫长的沉默期

光电子技术，特别是芯片技术，一头是研发，一头是制造。要从这一头走到那一头，并且稳稳地落地，常常是孤独又漫长的。

2010年，半导体所光通信芯片团队开启了成果转化之路。10年中，他们需要解决损耗均匀性、芯片良率、工艺稳定性、一致性及可靠性等一系列问题。“这些问题在半导体所基础研究中并非重点关注的问题，而在产业化中却是必须解决的。”半导体所研究员安俊明告诉《中国科学报》，为此，一款芯片需要30多次的设计优化制版、上百次的实验流片验证，才能使芯片性能达到国际同类芯片水平，与国外芯片同台竞争。

他说，团队还非常注重每个细节的芯片开发方式。“比如AWG芯片，结构中分五大部分，还有上千条波导的结合，而涉及的性能参数，每个通道就有十多个，看似千头万绪。一个参数的好坏受多方面的影响，如何准确判断问题所在？团队人员会把芯片的每一部分分别进行研究，不放过任何可能的影响因素，才使问题一步步得到解决。”

为了加快研究进度，团队想尽了各种办法。安俊明说：“我们经常会有一些方案，大家会预测结果，比如我们曾经预测第一次流片的光分路器损耗，有的说会达到10dB以下，有的说刚流片，不会那么乐观，这种打赌的方式也提升了转化速度。”

郑婉华也坦言，实验室的技术成果向市场转化的过程困难重重。

在她看来，半导体激光芯片是一个高资金投入、高密集人才、高度设备依赖的技术，如果上述问题得以克服，仍然面临实验室样品向批量化转移中的诸多工程技术难题。“因为我们先于国外开展这种高端激光芯片的批量制造，因此解决这些难题没有捷径可走，必须投入时间、人力、物力，且需要全体人员不浮躁、沉下心，一个难题一个难题攻克。”

“半导体光电子技术领域的研究工作，目前都是硬骨头工作，存在发表文章难、出成果难的问题。在人才培养方面，由于很难获得各种人才称号，我们只能以身作则，以国家需求为己任，留住人才。”郑婉华说。

壮大转化队伍

半导体所除了以基础前沿为引领来立身，同样重要的是在全面服务国家重大需求和国民经济发展中发挥不可替代的基础支撑作用。急国家和市场之所需一直是该研究所坚持的科研文化。

郑婉华表示，得益于国家、中科院“率先行动”计划和研究所在技术转移方面的优厚政策，最大化地提升了年轻人的收入水平，从而逐渐吸引了一些有理想、有抱负的博士生留下来，投入到这项事业中。

对科研人员而言，要投身转移转化，最难转变的是思维。如果思维转变不过来，再好的政策也无法推动。这就要求部分研究人员带头去从事成果转化工作，从而形成示范效应，让更多人加入这一行列。

目前，以半导体所为技术方的河南仕佳已成为国际上规模最大的光无源芯片生产企业。今年8月，河南仕佳正式在科创板上市，这也为半导体所人走在成果转化的道路上加足了信心。

值得一提的是，在这一过程中，半导体所已经形成了一支从理论分析、设计优化、工艺开发到产业化应用，完整的、训练有素的、敢于啃硬骨头的团队。也因此，半导体所承担了中科院科技成果转移转化重点专项（弘光专项）“硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片产业化”，实现了我国数据中心及骨干网核心波分复用芯片的国产化，更加提升了科技成果转化能力。

提到团队培养的经验，安俊明表示，“我们的特色是把研究生的培养放在产业转化一线，使他们掌握的知识更接地气，他们的许多经验、教训来源于生产实践，这在研究所是无法得到的。”如此培养的年轻人，在今后从事科研的过程中，也会更注重我国光电子产业链中的难点问题、设计及开发的实用性和产业转化的可行性，更注重解决国家急需的产业化难题。

来源：《中国科学报》

2020年即将爆发的十大电子应用

2019年，5G手机试水，TWS耳机爆量，ETC覆盖率达90%，AR／VR迈向爆发前夜……走进2020年，哪些行业应用将持续火爆，成为半导体产业链关注的焦点。电子发烧友网分析师团队结合近两年的一线走访与追踪，深入调研与分析，为读者朋友们解读2020年即将爆发的十大电子应用。

1.5G手机渗透率超预期，两大卖点带动换机潮

5G手机渗透率有望超过预期：台积电2019年Q4 5G芯片流片量有望超过预期，并且5G芯片逐渐向中低端手机渗透，台积电进一步极大资本开支，扩充先进制程产能。5G手机产业链射频、存储、PCB、散热、天线、基带等环节充分受益，ARVR、物联网、云游戏、车联网等产业应用将迎来高速增长。

2020年5G手机两大卖点：5G通信能力和拍照光学功能。2020年Galaxy S11和华为P40 Pro将会给业内带来风向标的提示。随着长焦质量和先进图像处理技术的进步，手机摄影在2019年取得了长足的进步。例如，远摄和/或广角传感器现已成为高端电话的标准配置。

OLED屏幕会成为5G手机主流，硬屏在中端市场常见，柔性屏幕在高端流行。我们从设计潮流来看有两大趋势：一、目前手机还会维持在Notch displays trend 或打孔这种方式来维持更大的屏幕，智能手机更大的屏占比是一个主流方向， 2020年中低端手机市场为主；二、高端市场侧重两个方向，一个是折叠屏，另一个方向是屏下指纹。华为在2020年上半年发布的高端智能手机P40系列将搭载可绕式OLED面板，此外，市场传华为在2020年下半年推出的新款折叠式智能手机将采用三星折叠式手机面板。

5G时代的AR、VR和云游戏、4K视频应用对存储提出更多要求，5G手机所需传输速度与容量要求皆有提升，在嵌入式产品界面方面，eMMC 5.1已难以负荷5G时代的基本传输要求，加上价格的诱因，UFS 2.1/3.0有望在2020年加速渗透，手机6GB+128GB成为主流。

2.可穿戴设备有望成为“独立”入口，补齐智能体验闭环

随着语音助手、生物识别、传感、无线连接等相关技术的发展以及生态系统的成熟，可穿戴设备越来越趋向于独立的IoT入口，而不是依附于手机的一个“配件”或是试图取代手机的一款产品。它将更多地独立接入IoT生态平台，通过和家居产品、移动设备及车载智能设备的连接，构建起个人的智能体验闭环。

智能手表仍将是2020年可穿戴设备的主导产品。这其中，儿童手表是最大的增长点。有分析显示，儿童智能手表到2020年销量将突破5000万块，如果以350元/块的平均价格计算的话，市场规模将突破175亿元，发展空间巨大。5G和AI将会助推智能手表成为新的计算中心：配备更为丰富的传感器、配合AI深度学习引擎、分析佩戴者更多维的数据、带来更好的运动健康管理体验。

正在成为标配的功能/配置包括：语音助手、心律监测、GPS定位、支持Wi-Fi/蜂窝网络、NFC、OLED/AMOLED显示等，此外，本地的安全保护、续航时间、存储空间、主芯片的处理能力、各种低功耗技术、传感器体积/精度的提升等都需要不断的升级优化。

除了智能手表这个细分品类，可穿戴医疗设备是又一大关键方向，特别是在一些慢性病或需要持续性追踪检测的疾病方面。近年来医用可穿戴设备市场发展迅猛，2015年市场规模刚过12亿，到2018年已经增长至71亿，增幅达6倍之多。专家预测2020年国内医用可穿戴设备有望突破122亿元，实现5年间10倍增长。

3.TWS耳机：进入出货爆发期

2019年TWS耳机从芯片到模组代工的成熟，再到市场接受度的提高，逐渐形成了完善的产业生态。为蓝牙SoC、电源管理芯片、Nor Flash、音频解码 IC 、MEMS麦克风、传感器等相关芯片带来了巨大的市场空间。

根据电子发烧友网的调研显示，TWS耳机由品牌市场与白牌市场共同组成，其中品牌与白牌的出货比例大约是1：2。2019年TWS耳机的品牌出货量达到7500万对，预计2020年出货量将达到1.2亿对。

鉴于苹果最新款TWS耳机加入了ANC主动降噪功能，已经有不少厂商推出了主动降噪方案，并且将持续优化这一技术带来的体验。我们相信ANC将从高端TWS耳机向下渗透，这一新功能将是明年TWS耳机的一个重要亮点。

TWS耳机在经历从无到有到放量之后，其产品将融入更多的功能，这对传感器、智能语音、低功耗设计等提出新的需求。TWS耳机的主控芯片蓝牙SoC因应蓝牙版本的更新升级，未来的蓝牙6.0对于低功耗、音频传输等将为TWS耳机带来怎样的体验提升值得期待。此外，离线语音或将丰富TWS耳机的功能体验。总之，这些都会给半导体厂商们带来新的商业机会。

4.ETC在2020年仍然值得期待

2019年整体电子行业都处于低潮，但有两个细分市场逆市上扬，异常火爆：一个是TWS，另一个就是ETC。ETC用户的倍增，主要是由于政策因素的驱动。在2019年5月28日，发改委和交通部联合出台文件，要求在2019年底，ETC用户数量要达到1.8亿。

根据交通部官网公布的消息，截止2019年12月31日，全国建设完成了24，588套ETC门架系统，改造完成了48,211条ETC车道、11,401套高速公路不停车称重检测系统。ETC推广发行了1.23亿户，累计用于达到了2.04亿户，超过了原来预定的1.8亿户。

据广东省交通运输厅收费管理处处长徐海波近期接受媒体采访时表示，目前ETC发行量中，绝大部分是小客车，火车的发行量其实还不算大。他指出，广东省的高速公路上每天运行的货车量大概是100万辆，但货车的ETC发行量目前是60万左右。

当然，这种爆发式增长的产品虽然出货量确实很大，但也遇到了不少问题，比如说前段时间，媒体报道的有车主碰到了乱扣费的问题；由于ETC稳定性的原因，大量车辆被堵在ETC通道的问题；还有应用场景单一问题等等……

2020年，相信ETC受惠于政策原因，还是会继续增长；再加上经过一年多时间的市场检验，产品的稳定性会做得更好，由于ETC产品是使用寿命一般为3~5年，产品更新的用户也会不少。

因此，<电子发烧友>预计，随着ETC全国联网、应用场景拓宽、车载设备免费安装和通行费用优惠等措施的实施，2020年的ETC市场仍然值得期待。

5.AR/VR在2020年或迎来转机

虽然AR/VR是一种全新的产品形态，当2012年，谷歌推出Google Glass的AR眼镜时，被市场极度看好，并在2015年左右达到市场热度的最高点，但随后市场关注度一直走低，从2016年下半年开始，整个行业开始进入寒冬。在2019年，AR/VR的表现依然不好，可以说这个行业在2019年还处于寒冬。

在2019年，虽然推出的玩家不少，但仍然有不少的玩家还在坚持。豪赌VR的HTC还在苦撑，Facebook号称其新产品Oculus Quest生产速度都赶不上需求，在19Q3时的销量约为40万台；3Glasses在2019年4月份推出了超薄款VR眼镜；随后，OPPO和华为也在19Q4季度推出了消费级轻薄款VR产品……

在主芯片方面，芯片厂商高通在2019年年底的技术峰会上更新了其第二代骁龙XR平台，XR指的是包括VR、AR和MR在内的多个领域的混合平台。此前Oculus Quest、HTC Vive Focus等VR一体机就采用了高通的第一代XR，目前市面上已有30多款VR/AR设备采用了高通的初代XR平台。

随着5G时代的到来，处在寒冬的AR/VR行业有望开始回暖。过去受限于宽带和硬件条件，AR/VR产品在很多场景中的体验并不理想，但随着高带宽和低延时的5G网络开始进入人们生活，不仅可以大大提升AR/VR的游戏体验，还能将它们带入到教育、医疗、工业等更多应用行业中。

乐观预计，2020年的AR/VR行业有望走出寒冬，迎来春天。

6.AI落地：多模态交互日渐融合，AIoT持续渗透

机器视觉、语音交互、生物识别、智能传感器等技术的发展，正在推动单一智能设备上的多模态交互成为可能，比较基础的功能包括语音控制、人脸/指纹识别、对人体/动作的捕捉和感知等，进阶功能有望增加多轮对话、声纹/虹膜/掌纹等生物识别，甚至还有情绪理解、机器触觉等。在智能家居、汽车、医疗、金融、安防、教育等领域，AI将在多模态的人机交互方面将找到持续创新的落脚点。

随着大规模算力、丰富领域数据、预训练模型、完善的开发平台、更强的存储能力、以及算法对多维度数据的融合、对齐等突破，多模态交互将持续革新智能的人机交互体验。

另一个显著趋势是边缘计算的兴起，将推进AI与IoT的深化结合，在各个垂直领域持续渗透。这会是巨头继续忙于构筑生态系统，创企持续寻求算法突破和商业合作的一年。2019年大爆发的各类AI芯片将会在今年规模落地，端侧芯片走向低成本、通用化、集成化，神经网络单元在端侧处理器中将更加普及，传统处理器平台将会以深度学习为核心持续优化。值得一提的是，易用、完善的AI开发套件、软件工具将发挥越来越重要的作用，AI将越来越多运用于开发流程本身，使各种数据科学、应用软件开发和测试功能实现自动化，专业应用软件开发面临新的机会。

7.物联网热点应用强势落地

未来物联网的智能语音入口。伴随着人工智能技术落地，谷歌、亚马逊、京东和百度等互联网巨头都争先在消费IｏT进行布局，相继推出智能音箱。TWS蓝牙耳机+智能音箱，有望打开智能交互入口，智能音箱一直被视为智能家居入口，在家庭场景下，TWS耳机可以作为声音交互的辅助入口，形成智能音箱+TWS耳机入口闭环。

随着5G建设在中国被加速提上日程，2019年全国5G基站达到13万个，预计2020年中国将部署超过40万个5G基站。2019年11月，三大运营商上线5G商用套餐，NB-IoT he LoRa等技术持续在消防和智能水表应用领域渗透，5G通信技术和物联网底层感知技术及产业生态的成熟极大推动下游IoT应用和落地。

中国智能计量仪表行业进入快速发展阶段，包括智能电表、智能水表、智能燃气表市场都在迅速发展，受益NB-IoT网络深度覆盖，随着三大运营商已经完成了100多万NB-IoT基站成熟，物联网行业从广覆盖走向深覆盖，下游应用进入规模商用阶段，将进一步推动智能表的应用和推广。

目前60%的物联网连接需要窄带物联网提供服务，而中低速率的物联网设备需要Cat1或eMTC网络提供服务，目前中国蜂窝物联网产业生态，窄带业务和高速业务已经有成熟的网络和产业生态，占比30%的中低速率物联网网络和相关产业生态还是空白，发展Cat1网络对于补齐物联网主要场景需求，弥补断层，实现蜂窝物联网应用的平滑演进有重要意义。目前推出LTE Cat 1芯片的的厂商有高通、紫光展锐、翱捷科技等。

边缘计算助力IoT应用落地。边缘计算具有经济性、可靠性、数据保护三大特点。通过对机器学习和实时分布的驱动，使得IoT在真正意义上成为大数据和智能网络的前端。在众多物联网垂直行业业务中，对边缘计算的需求主要体现在时延、带宽和安全三个方面。目前车联网、直播游戏、4K/VR、智能制造、智慧城市等垂直领域对边缘计算的要求最为迫切。

IoT市场的迅猛发展，数据安全问题、访问的安全问题也是迫在眉睫。行业普遍的共识是，物联网安全仅仅通过软件去实现力不从心，硬件级安全措施受到关注，特别是对于处理特别敏感数据的应用程序。工业物联网用户对安全问题尤其关注，2020年，更多芯片厂商进入安全领域，助力客户提升物联网终端产品的安全体验。

8.BLDC电机市场会稳步增长

从2019年<电子发烧友>举办的两次BLDC电机技术研讨会的火爆程度就可以看出，BLDC电机在这几年有多受市场的青睐。

随着，各个国家和地区越来越看重设备的能效。比如美国和加拿大已经分别于2011年和2012年强制要求工业电机满足IE3能效等级标准。国内和欧盟地区相对滞后，在2016年和2017年初也开始推广IE3能效等级标准。只是由于IE3高效电机平均价格比普通电机高15%左右，故在实施之初，替代相对缓慢，但随着国家环保监督措施愈发严格，加上高效电机能耗降低能带来确实好处，高效电机的占比在逐步提升。据估计，国内有望在2020年将IE3能效标准作为强制标准措施。

除了工业应用，BLDC电机在风机、泵、电动车、电动工具、压缩机、农机具和汽车应用等领域的出货量也非常大。

以空调用的电机为例，根据国家统计局公布数据，中国在2018年空调用电机的产量是3.6亿台，而空调用的BLDC电机的产量约为0.96亿台，虽然占比不大，但每年都在增长之中。而且2019年有可能会突破1亿台，因为前三季度已经达到了8000多万台。相信2020年这个数字还会增长。

因此，我们有理由相信，2020年的BLDC电机市场仍然会稳步增长。

9.服务器：霸主难撼，但机会也不少

X86架构长期称霸服务器市场的格局短期内不会改变，英特尔占据数据中心服务器市场9成以上份额短期内也不会改变。日益巨增的数据量仍然推动服务器需求的高增长，云存储将对服务器的消费产生影响。

2019年AMD发布新一代服务器芯片在制程上首次超过英特尔，其在性能、架构以及成本也带来革命性的变革。尽管难以撼动英特尔的霸主地位，不过X86服务器芯片两个主要玩家的竞争更加白热化。而在非x86架构阵营，包括ARM、IBM Power等架构的服务器芯片也在不断追赶。

国产服务器芯片厂商加入到这一竞争中，例如龙芯采用MIPS架构、飞腾采用ARM架构、申威采用Alpha架构。华为于今年发布的鲲鹏920服务器芯片并推出三款服务器。随着5G、边缘计算、人工智能等技术的发展和成熟，新的计算需求的产生是国产服务器芯片发展的重要机遇。

服务器还将带来存储市场的增长，海量数据的产生将由不断增加的存储需求来填补鸿沟。尽管服务器市场不似消费电子产品的爆发态势，但它仍将在竞争中得到发展，同时由于新技术、新应用的产生，带来新的机会和市场变化。

10.车联网：造就自动驾驶的关键一环

汽车领域出现了两极现象，一是截止2019年11月中国汽车市场连续17个月销量同比下滑，然而汽车“寒流”并没有停止的迹象，2020年或将延续；另一个现象是汽车电子化的加速到来。需要注意的是，尽管汽车总体销量在下滑，但是新能源汽车却表现良好。新能源汽车使半导体器件的用量需求成倍增加。这也是为何许多此前专注于消费类电子的半导体厂商，大力转战汽车电子市场。

智能驾驶是除了汽车电动化之外又一大汽车产业发展特征。智能驾驶能够帮助解决电动车的充电、节能等核心问题，以及实现电动车智能交互。智能驾驶的4个等级，前三个是ADAS为主导，通过雷达、摄像头等传感器感知周围环境。随着汽车智能化的升级，车联网的作用将更大地发挥出来。5G+C-V2X车载通信技术，通过高速率、低延时的5G移动通信，以及车路协同的C-V2X，实现汽车的快速联网，数据的高性能处理，使得车、路、网络的智能化，适应智能驾驶的高等级需求，尤其对于L4等级的性能提升和商用化将带来极大的助力。

作者：电子发烧友分析师团队