中国科学家以折纸术秒杀光芯片制造瓶颈，有望解放AI算力

► 文 观察者网心智观察所

正当全球科技巨头还在为光子芯片的制造效率焦头烂额的时候，中国的科研团队用一种近乎魔法的方式给出了答案：把“雕刻”变成“折叠”，让整个晶圆上的纳米结构在数十秒内同时站立起来。这不仅是速度的飞跃，更有可能彻底改写光子芯片从实验室到工厂的游戏规则。

光子芯片：AI时代的光速救星

要讲清楚这项突破的分量，首先得回到一个老生常谈却又迫在眉睫的问题：算力不够了。

过去几年，人工智能模型的参数规模从千亿级冲向万亿级，训练一次大模型的耗电量相当于数千个家庭一年的用电量。传统电子芯片，也就是我们熟悉的硅基计算芯片，正在逼近物理极限。电信号在金属导线里跑，会遇到两座大山：发热和串扰。电流越大、速度越快，电阻发热就越严重，信号之间还会相互干扰。就像一条窄路上挤满了飞奔的马车，不仅跑不快，还容易造成人仰马翻。

光子芯片却提供了另一种可能：用光子（光粒子）代替电子来传输和计算信息。光子不带电荷，在介质中跑起来几乎不发热，也几乎不受电磁干扰。它们可以在极宽的频率范围内并行传输数据，带宽轻松提升几个数量级，能耗却低得多。形象地说，电子走的是乡间土路，光子则是在八车道高速上飞。

正因如此，全球巨头纷纷下注。英特尔布局硅光已有十余年，台积电计划将光学共封装技术融入先进制程，Ayar Labs、Lightmatter等明星初创公司也拿到数十亿美元投资。中国同样不甘落后，中科院、华为等机构和企业在光子芯片领域持续加码。

然而，一个尴尬的现实是：设计再精巧，造不出来也是白搭。光子芯片的制造，尤其是三维光子芯片的制造，一直是卡在量产路上的“鬼门关”。

三维架构：必须攀爬的技术峭壁

早期光子芯片大多是二维平面结构：光波导、光栅、谐振器都铺在同一层上，像一幅平面电路图。但平面空间终究有限，光路越密，相互干扰越严重。解决之道就是升维：把光学结构堆叠到三维空间。

三维架构的好处显而易见。首先是集成度更高：垂直方向可以叠加多层光路，单位面积上的功能密度成倍增加。其次是干扰更小：不同层的光路可以错开走线，避免平面串扰。此外还附带新功能：比如通过弯曲特定的纳米天线，可以让芯片对左旋和右旋偏振光产生不同响应，这种手性效应在生物传感、量子通信等领域具有独特价值。

但三维结构的制造难度，比二维高出不止一个量级。你没法像印钞票那样平摊印刷，还得让纳米级的“小柱子”“小弯梁”在垂直方向上精确矗立起来，尺寸误差不能超过几个原子。

传统雕刻刀的致命伤

过去十几年，科学家们最依赖的工具是聚焦离子束（FIB）。它像一支纳米级的精密雕刻刀：把离子束聚焦成几纳米粗的一点，逐点扫描、逐点刻蚀材料表面，想要什么三维形状，就用这“刀尖”一刀一刀雕出来。

FIB的精度无可挑剔，能达到亚纳米级别。但代价是慢得令人发指。加工一个100微米见方的区域，至少需要7分钟；要完成一整片4英寸晶圆（约10厘米直径）上的三维结构，耗时长达数小时。

更糟的是，FIB是串行工艺，一个接一个地加工，前面刻好的结构在后续加工中可能已经变形或者被污染，导致整片晶圆上的一致性极差。就像用一支笔画一万个相同的米字格，画到末尾，前面的墨迹早就干了，很难保证每个格子分毫不差。

高精度与高效率、高质量与大面积，在FIB这里成了无法调和的矛盾。FIB只适合在实验室里精雕细琢，根本没法用来批量生产。这也是为什么三维光子芯片虽然论文发了一大堆，却始终难以走出实验室的核心原因，制造是真正的难点。

来自中国的颠覆性思维：把雕刻变成折叠

中科院物理研究所的团队选择了一条完全不同的路径。

第一作者中科院物理所博士生王艺、通讯作者顾长志研究员和郭阳副研究员，在2026年7月5日发表于《Advanced Materials》的一项研究中提出了一种全新思路：不去“刻”三维结构，而是让二维结构自己“折”成三维。灵感来自古老的东方折纸艺术。折纸的本质是在一张二维平面上预先设计好折痕，然后通过一次或几次折叠动作，瞬间变成复杂的三维立体。研究团队把这一逻辑搬到了纳米尺度。

他们先在4英寸的晶圆上制备出一层悬浮的氮化硅薄膜，上面用常规光刻和镀膜工艺制作出精心设计的二维金图案。这些图案就是未来的“折痕”，画好了该弯哪里、弯多大角度。

接下来是魔术般的操作。他们用一束宽束离子束，造出一大片均匀的“离子雨”，一次性辐照整个晶圆表面。

当氩离子高速撞击薄膜时，会在材料顶层造成损伤，形成缺陷。顶层和底层之间的缺陷密度差异，会产生一种可控的机械应力梯度，好比把一张纸的一侧喷湿、另一侧保持干燥，纸张自然会向上弯曲一样。

离子束的雕刻力被精准转化成了折叠力。整个晶圆上数万个二维纳米结构，在宽束离子束的一次性照射下同时同步折叠成预设的三维形状。没有扫描，没有串行，一次照射，全部完成。

这就是并行制造的精髓：从单点雕刻到批量折叠，效率提升了两个数量级以上。

数据说话：百倍加速，晶圆级一致

这项技术的实测数据令人震撼。在时间方面，整片4英寸晶圆的加工时间从数小时缩短至几十秒，提速超过100倍。在一致性方面，成千上万个结构折叠后的角度误差极小，整体均匀性超过97%，这就意味着几乎每个结构都听话地立成了设计角度。在规模方面，直接支持晶圆级制造，跟现代半导体产线的批量处理逻辑完全兼容。

为了证明这套工艺不是花架子，团队还亲手造出了两款真实可用的光子器件。

第一款是由非对称劈裂谐振环阵列组成的手性弯曲超表面。它在红外波段的圆二色性（对左旋和右旋偏振光的区分能力）高达0.8，远超传统平面结构。这种器件在手性分子检测、光学加密等领域有重要应用。

第二款则是由平面光栅整体弯曲而成的曲率可控等离激元超表面。通过改变折叠角度，它的共振波长可以在可见光波段连续调谐超过150纳米，相当于把整个调色盘握在手里。这种可调谐超表面在动态光学滤波、可重构光路由等方面潜力巨大。

研究团队在论文中写道：“我们的工作构建了一个通用平台，在设计复杂度与可规模化制造之间架起了一座桥梁，为下一代三维集成光子学奠定了基础。”

这声惊雷值得全世界倾听

这项突破的意义，远不止于“变快了”三个字。

第一，它拆掉了光子芯片量产的最大路障。以往，科学家们在论文里画出的炫酷三维光路，到了FIB那里就变成了“慢工出细活”的样品，无法批量复制。现在有了晶圆级的并行折叠技术，这些设计可以真正走上生产线，跟CMOS工艺对接。芯片产业从来都以“良率”和“吞吐量”决定生死，而“离子束折纸术”恰好在这两个指标上实现了质的飞跃。

第二，它为芯片设计者打开了前所未有的想象空间。既然制造方面不再被卡脖子，设计师就可以大胆地追求更复杂、更密集、更多功能的立体光路架构，而不必再为了迁就FIB的低效率而简化设计。就像3D打印技术成熟后，建筑设计师突然可以做任何疯狂造型一样。

第三，它展示了折纸思路在纳米制造中的普适性。这种方法不仅适用于光子芯片，还可以推广到纳米机电系统、超材料、生物传感芯片等领域。一次离子辐照就能让整个晶圆长出三维形状，这种通用性可能催生一系列新的制造范式。

第四，它让中国在全球光芯片竞赛中拿到了一张关键的制造底牌。目前，美国、日本、欧洲都在光子集成领域投入巨资，台积电、英特尔、Imec等巨头紧盯硅光量产工艺。而中国团队在制造方法上的原始创新，绕开了传统的FIB路线，另辟蹊径实现了弯道超车。不拼光刻机，拼离子束折纸：这可能是中国在下一代芯片赛道上的独特优势。

折出未来

手折千纸鹤，依靠的是灵巧的指尖和反复的调整。而在纳米尺度上折纸，依靠的是离子束的精确轰击和物理规律的天然馈赠。

中科院团队的这项研究把东方的折纸智慧与前沿纳米技术熔于一炉。这个故事告诉我们，很多时候，颠覆性创新不是凭空发明新东西，而是站在全新的视角去折叠已有的元素。

从几个小时到几十秒，从逐点扫描到同步折叠，光子芯片从实验室展品向工厂流水线迈出了实质性的一步。

AI对算力的渴求永无止境，摩尔定律的脚步日渐蹒跚，光子芯片被无数人视为救世主。而今天，中国科学家用一把离子束折纸刀，为这位救世主折出了一条登顶的阶梯。

参考文献

http://doi.org/10.1002/adma.73929

晶圆级三维纳米结构与器件的离子束加工新方法 - 中国科学院物理研究所

来源|心智观察所

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