政策觀察 | 深圳說“要有光”，展望可見光通信和光計算產(chǎn)業(yè)未來
1.產(chǎn)業(yè)概要
光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，具有光速傳播抗電磁干擾、任意疊加等特性。
可見光通信與光計算產(chǎn)業(yè)是利用光子來實現(xiàn)通信和計算的未來產(chǎn)業(yè)，由可見光通信和光計算兩個產(chǎn)業(yè)構(gòu)成。
可見光通信
可見光通信(VLC)是一種利用人眼可見的光頻段波長380nm-790nm)實現(xiàn)通信功能的技術(shù)。與傳統(tǒng)無線通信技術(shù)相比，可見光通信技術(shù)具有高速、節(jié)能、無輻射等特點，將有效突破無線電頻譜資源匱乏的困局，有望成為6G關(guān)鍵候選技術(shù)**，是未來移動通信的一個潛在補(bǔ)充。
可見光通信技術(shù)主要特點和潛在應(yīng)用場景
資料來源：可見光通信與光計算產(chǎn)業(yè)研究中心整理
光計算
光計算是以光子作為信息傳輸載體，基于光學(xué)單元構(gòu)建的光學(xué)系統(tǒng)，通過必要的光學(xué)操作實現(xiàn)信息的處理或數(shù)據(jù)的運(yùn)算。與傳統(tǒng)數(shù)字電計算相比，光計算具有二維并行處理、高速度、大容量、空間傳輸、抗電磁干擾、大規(guī)?？赏卣购涂蓪崟r自重構(gòu)等優(yōu)點，是突破摩爾定律困境以及馮·諾依曼架構(gòu)問題的重要技術(shù)路線**。
光計算類型和潛在應(yīng)用場景
資料來源：可見光通信與光計算產(chǎn)業(yè)研究中心整理
2.發(fā)展現(xiàn)狀
可見光通信
可見光通信產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，目前是關(guān)鍵技術(shù)研究和器件攻關(guān)的重要時間點?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)已經(jīng)在部分應(yīng)用場景開展了試點運(yùn)營，但仍面臨關(guān)鍵技術(shù)突破、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育等問題。
6G可見光通信技術(shù)研究時間表
資料來源：《6Gke可見光通信技術(shù)白皮書（2022）中國移動研究院》
從專利申請趨勢上看，全球可見光通信專利申請放緩2010年，德國海因里希赫茲研究所的團(tuán)隊將通信速率提高至513Mbit/s，突破傳輸速率的瓶頸，可見光通信行業(yè)迎來了爆發(fā)式增長。2017年之后專利申請逐年放緩，產(chǎn)業(yè)正在通過尋找商業(yè)化機(jī)會實現(xiàn)下一輪增長。
全球VLC專利申請趨勢
數(shù)據(jù)來源：patsnap，2020年12月31日
從關(guān)鍵技術(shù)上看，可見興傳輸系統(tǒng)是可見興通信技術(shù)的焦點。在全球可見光通信專利中，86.3%涉及可見光傳輸系統(tǒng)，涉及發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及編碼調(diào)制等技術(shù)?？梢姽馔ㄐ艑τ谛诺澜?、收發(fā)端器件等環(huán)節(jié)提出了新的需求。在收發(fā)端方面，高效光電器件及光學(xué)前端研制仍待推進(jìn)。在傳輸方面，穩(wěn)定高速傳輸、高效多址接入、MIMO及組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)仍待突破。
全球VLC專利技術(shù)分部
數(shù)據(jù)來源：patsnap，2020年12月31日
從應(yīng)用領(lǐng)域來看，可見光通信產(chǎn)業(yè)化呈現(xiàn)三級梯隊的發(fā)展態(tài)勢。**梯隊室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)是目前產(chǎn)業(yè)化的主要方向，已開展小規(guī)模的室內(nèi)定位導(dǎo)航試點應(yīng)用:第二梯隊電磁頻譜嚴(yán)控環(huán)境和某些特種行業(yè)應(yīng)用是可見光通信的剛需場景，已形成試驗系統(tǒng)，完成了相關(guān)測試工作，開始投入定向試點;第三梯隊智能交通和車聯(lián)網(wǎng)等其他創(chuàng)新應(yīng)用還處于理論研究階段，只出現(xiàn)了局部的試點探索
表：國內(nèi)外VLC技術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用典型情況
資料來源：資料來源:中國信息與電子工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，可見光通信與光計算產(chǎn)業(yè)研究中心整理(不完全統(tǒng)計)
光計算
從歷史發(fā)展來看，模擬光計算成為后發(fā)動力。20世紀(jì)60年代，數(shù)字光計算利用光和光學(xué)器件組合來實現(xiàn)經(jīng)典的邏輯門，率先得到發(fā)展。21世紀(jì)以來，得益于大數(shù)據(jù)、人工智能等應(yīng)用場景催生的算力需求，模擬光計算進(jìn)入快速發(fā)展階段，專利申請迎來了爆發(fā)式增長。
從具體應(yīng)用來看，大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用是目前光計算發(fā)力的主要方向。一方面光計算在速度和功耗等方面具有天然的優(yōu)勢，可以充分應(yīng)對深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)強(qiáng)大處理能力和并行計算能力需求帶來的硬件尺寸、重量和功耗等方面的問題。另一方面，模擬光目前推計算的非精確解與AI推理概率的理念不謀而合。理任務(wù)，尤其是用于視覺計算應(yīng)用的推理任務(wù)，已可使用全光學(xué)或光電混合系統(tǒng)來實現(xiàn)。
從光計算技術(shù)來看，光計算芯片化逐漸受到廣泛關(guān)注。光計算技術(shù)包括基于空間光的光計算系統(tǒng)、基于光纖的光計算系統(tǒng)和片上光計算系統(tǒng)。目前光計算的集成度較低，通過芯片化提升集成度和運(yùn)行速度逐漸受到廣泛關(guān)注。光子集成電路相對于傳統(tǒng)分立的光-電-光處理方式降低了復(fù)雜度，提高了可靠性，光子集成電路將逐漸從混合集成向單片集成演進(jìn)。
表：光計算技術(shù)的進(jìn)展
資料來源：華為，董曉文博士《從空間到芯片-光計算發(fā)展之路》
表：國內(nèi)外光子芯片*新進(jìn)展
資料來源：可見光通信與光計算產(chǎn)業(yè)研究中心整理
3.全球發(fā)展概況
可見光通信
全球可見光通信產(chǎn)業(yè)在區(qū)域上呈現(xiàn)日本歐洲領(lǐng)跑、美國緊隨和中國后程發(fā)力的態(tài)勢。產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，日本專利申請**全球，日本和歐洲率先實現(xiàn)較多核心技術(shù)的積累。2012年開始中國專利申請數(shù)量爆發(fā)，一躍成為該領(lǐng)域申請量*多的國家。中國雖然在總體專利數(shù)量上有**優(yōu)勢，但是由于起步較晚，專利含金量仍較低。
全球主要國家與專利局和專利組織受理VLC專利分布
數(shù)據(jù)來源：patsnap，2020年12月31日
光計算
全球光計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)日美**、中歐緊隨、多點開花的三級格局。從專利數(shù)量上看，日本和美國占據(jù)了光計算相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠陌氡诮?，我國位于全球第二梯隊?/span>
全球主要國家與專利局和專利組織受理光計算相關(guān)專利分布
4.趨勢研判
可見光通信
室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)化的主要方向，未來電磁敏感區(qū)應(yīng)用和水下高速傳輸?shù)葢?yīng)用場景是戰(zhàn)略布局的重點。電磁敏感區(qū)應(yīng)用和水下高速傳輸是剛需市場。電磁敏感場景對于電磁功率與頻段有著嚴(yán)格的限制，可見光通信可以有效避免電磁干擾，實現(xiàn)安全可靠的無線通信。
目前可見光通信產(chǎn)業(yè)在信道建模、器件、傳輸與組網(wǎng)等方面仍面臨較大的挑戰(zhàn)。因此，探索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在信道建模的應(yīng)用，突破大帶寬發(fā)射器件、波分復(fù)用、MIMO陣列收發(fā)和異構(gòu)組網(wǎng)等技術(shù)是可見光通信產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重點方向。
光計算
光電融合是5-10年內(nèi)光計算產(chǎn)業(yè)的重要趨勢。用光子芯片輔助現(xiàn)有數(shù)字電子芯片加速整體運(yùn)算過程，是光計算目前實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的一個重要方向。
硅光技術(shù)成為光計算產(chǎn)業(yè)焦點。目前光計算在集成度上仍然較低。光子矩陣、片上互聯(lián)和片間傳輸?shù)燃夹g(shù)取得突破，硅光技術(shù)已進(jìn)入大規(guī)模集成階段。未來光電融合的片上系統(tǒng)將為光計算產(chǎn)業(yè)帶來更多新的發(fā)展動能。
5.行動計劃解讀
行動計劃
《行動計劃》指出，可見光通信與光計算產(chǎn)業(yè)在10至15年內(nèi)有望成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的中堅力量，因此應(yīng)重點發(fā)展可見光通信技術(shù)和光計算技術(shù)?！丁缎袆佑媱潯访鞔_，到2025年，在可見光通信與光計算產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，成為全國技術(shù)研發(fā)高地，培育一批“專精特新”企業(yè)，拓展若干個技術(shù)應(yīng)用場景和迭代示范工程，實現(xiàn)基礎(chǔ)研究、技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用拓展、產(chǎn)業(yè)集聚、人才匯聚、金融支撐的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
解讀
可見光通信
可見光通信產(chǎn)業(yè)目前大部分技術(shù)還處于孵化期，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要基礎(chǔ)研究和應(yīng)用探索齊頭并進(jìn)。一方面，材料器件、高速通信系統(tǒng)、異構(gòu)組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)仍待突破。另一方面，探索創(chuàng)新且具有比較優(yōu)勢的應(yīng)用場景同樣迫在眉睫。從實際需求出發(fā)實現(xiàn)技術(shù)和應(yīng)用場景之間“少走彎路”，才能更有針的良性循環(huán)迭代，對性地實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，賦能產(chǎn)業(yè)化。我市可以大力引進(jìn)具有技術(shù)能力和場景需求的產(chǎn)學(xué)研各界，鼓勵產(chǎn)學(xué)研之間建立聯(lián)合實驗室，真正實現(xiàn)科技成果“沿途下蛋、就地轉(zhuǎn)化”。
光計算
光計算產(chǎn)業(yè)是未來異構(gòu)計算的重要組成部分圍繞光學(xué)模擬計算和光學(xué)數(shù)字計算兩大技術(shù)路線，重點突破光相干處理、光非相干處理、光計算、光互聯(lián)、光存儲、光子集成、光學(xué)神經(jīng)擬態(tài)等關(guān)鍵技術(shù)，重點發(fā)展光計算芯片、數(shù)據(jù)處理技術(shù)及系統(tǒng)，開展光計算設(shè)備研制。充分利用光計算在高操作復(fù)雜度模型的物理實現(xiàn)方面的優(yōu)勢，與視覺成像、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、空間激光通信、水下激光通信、智能遙感測繪等應(yīng)用場景匹配，構(gòu)建以硬件與工藝、系統(tǒng)與架構(gòu)、軟件與算法為核心的“三位一體’的光計算產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
專家觀點
哈爾濱工業(yè)大學(xué):(深圳)副教授 蔣宇飛
可見光通信產(chǎn)業(yè)尚處于前期探索階段，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還需要更多的攻關(guān)。個人認(rèn)為，未來大范圍應(yīng)用的主要場景是室內(nèi)通信和射頻敏感的特殊場景，將形成對WiFi的補(bǔ)充。目前仍未實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化主要有兩個方面的原因:
1.關(guān)鍵技術(shù)仍待攻克。一是可見光通信產(chǎn)業(yè)化的收發(fā)架構(gòu)與傳統(tǒng)射頻架構(gòu)存在區(qū)別，發(fā)射端LED帶寬的提升和接收端的集成都是新的難題。二是實驗室內(nèi)使用的材料都是特制材料，實現(xiàn)大規(guī)模低成本的應(yīng)用還有一段距離。
2.學(xué)界和業(yè)界需要更加緊密聯(lián)合。除了實驗室方面的技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)應(yīng)用落地需要華為等設(shè)備商企業(yè)在集成端做推動。同時也需要一些新的初創(chuàng)企業(yè)去挖掘技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化潛力，形成試點示范。
