聊聊光子芯片

今年七月，澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導的一個(gè)國際團隊研制出首款自校準光子芯片，其能“變身”數據高速公路上的橋梁，改變當前光學(xué)芯片之間的連接狀況，提升數據傳輸的速度，有望促進(jìn)人工智能和自動(dòng)駕駛汽車(chē)等領(lǐng)域的發(fā)展。最新研究發(fā)表于《自然·光子學(xué)》雜志。

光子芯片是什么？它與普通芯片區別在哪？有哪些優(yōu)勢和技術(shù)難點(diǎn)？在哪些領(lǐng)域會(huì )得到怎樣的應用？本文將針對上述問(wèn)題一一進(jìn)行解答。

光子芯片應運而生

1959年，美國著(zhù)名半導體廠(chǎng)商仙童公司（Fairchild Semiconductor）首先推出了平面型晶體管，緊接著(zhù)于1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型制造工藝是在研磨得很平的硅片上，采用 “光刻”技術(shù)來(lái)形成半導體電路的元器件，如二極管、三極管、電阻和電容等。只要“光刻”的精度不斷提高，元器件的密度也會(huì )相應提高，從而具有極大的發(fā)展潛力。因此平面工藝被認為是“整個(gè)半導體的工業(yè)鍵”，也是摩爾定律問(wèn)世的技術(shù)基礎。

1965年，英特爾(Intel)創(chuàng )始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出摩爾定律。其內容為：當價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

過(guò)去的半個(gè)多世紀，半導體行業(yè)一直遵循著(zhù)摩爾定律（Moore's law）的軌跡高速的發(fā)展，如今半導體制程節點(diǎn)已經(jīng)來(lái)到了3nm，借助于EUV光刻等先進(jìn)技術(shù)，正在向2nm甚至更小的節點(diǎn)演進(jìn)，每進(jìn)步1nm都需要付出巨大的努力，單純靠提升工藝來(lái)提升芯片性能的方法已經(jīng)無(wú)法充分滿(mǎn)足時(shí)代的需求，主要體現在：

一、以電子為載體的技術(shù)發(fā)展已趨近物理極限。當下集成電路是以硅為基礎材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當制程降至7納米以下時(shí)，極易出現電涌和電子擊穿問(wèn)題，也就是已經(jīng)很難完美地對電子進(jìn)行控制。雖然代表全球最頂尖水平的臺積電仍然在不斷地進(jìn)行3納米及2納米的技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)能投資，但業(yè)內人士普遍認為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會(huì )達到物理極限，亟需尋找創(chuàng )新發(fā)展的出路；

二、電子芯片尺寸降到極致時(shí)會(huì )出現“功耗墻”難題。比如，巨大的耗能壓力就是計算機發(fā)展的最大技術(shù)障礙之一。雖然國內外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進(jìn)行了大量努力，但由于CMOS（互補金屬氧化物半導體）半導體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結構、新材料；

三、過(guò)去幾十年中處理器的性能以每年約55%的速度提升，而內存性能的提升速度約為每年10%，長(cháng)期累積下來(lái)，不平衡的發(fā)展速度造成了當前內存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪(fǎng)存瓶頸導致高性能處理器難以發(fā)揮出應有的功效；

四、電子芯片性能提升的同時(shí)，性?xún)r(jià)比在降低。業(yè)界普遍認為，28納米是芯片性?xún)r(jià)比最高的尺寸。根據SEMI國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )的芯片主流設計成本模型圖，采用FinFET（FinFET全稱(chēng)Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鰭式場(chǎng)效應晶體管）工藝，的5納米芯片設計成本已是28納米工藝設計成本的近8倍，更復雜的GAA（Gate-all-around，環(huán)繞柵極）結構的設計成本只會(huì )更高，這僅是芯片設計、制造、封裝、測試中的設計環(huán)節。制造環(huán)節的晶圓代工廠(chǎng)的研發(fā)、建廠(chǎng)、購買(mǎi)生產(chǎn)設備耗費的資金會(huì )更多，比如三星在美國得克薩斯州計劃新建的5納米晶圓廠(chǎng)預計投資高達170億美元。

半導體行業(yè)逐步進(jìn)入了后摩爾時(shí)代，高算力和低功耗的光子芯片應運而生。

光子芯片和電子芯片

電子芯片通常指的是傳統芯片，即內含集成電路的硅片，體積很小，常常是計算機或其他設備的一部分。它是電子設備中最重要的部分，承擔著(zhù)完成運算，處理任務(wù)和控制存儲的功能。電腦、手機、電視和各種智能電子產(chǎn)品都都離不開(kāi)芯片。

光子芯片采用的是光波來(lái)作為信息傳輸或數據運算的載體，指的是依托于集成光學(xué)或硅基光電子學(xué)中介質(zhì)光波導（引導光波在其中傳播的介質(zhì)裝置）來(lái)傳輸導模（導模是指光波限制在圓筒內（光纖）向前傳播）光信號，將光信號和電信號的調制、傳輸、解調等集成在同一塊襯底或芯片上的技術(shù)。

電子芯片采用電流信號來(lái)作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來(lái)作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光子集成電路與光互連展現出了更低的傳輸損耗、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲、以及更強的抗電磁干擾能力。此外，光互聯(lián)還可以通過(guò)使用更多方式來(lái)提高傳輸媒質(zhì)內的通信容量。

從國家戰略安全和戰略需求的角度，光子芯片可以解決很多在數據處理時(shí)間長(cháng)、無(wú)法實(shí)時(shí)處理、功耗高等應用領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。例如，在遠距離、高速運動(dòng)目標的測距、測速和高分辨成像激光雷達中，在生物醫藥、納米器件等的內部結構實(shí)現高分辨無(wú)損檢測的新型計算顯微關(guān)聯(lián)成像裝備中，光子芯片均可以發(fā)揮其高速并行、低功耗、微型化的優(yōu)勢。

此外，AI光子芯片是一種光計算架構與人工智能算法高度匹配的芯片設計，有潛力廣泛應用于自動(dòng)駕駛、安防監控、語(yǔ)音識別、圖像識別、醫療診斷、游戲、虛擬現實(shí)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)級服務(wù)器和數據中心等關(guān)鍵人工智能領(lǐng)域。

類(lèi)腦光子芯片可以模擬人腦的計算，通過(guò)光子攜帶信息在模擬大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )構架下處理數據，使芯片達到像人腦一樣高速并行且低功耗的計算。以微納光子集成為基礎的光子芯片結合基于光學(xué)計算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )數據處理系統是應對未來(lái)低功耗、高速度、寬帶寬、大數據量信息處理能力的關(guān)鍵。

挑戰

光子芯片是基于硅片的激光技術(shù)，它將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中，當給磷化銦施加電壓的時(shí)候，光進(jìn)入硅片的波導，產(chǎn)生持續的激光束，這種激光束可驅動(dòng)其他的硅光子器件。盡管硅光子學(xué)有很大的前景，但是該技術(shù)也面臨很多挑戰：

1、由于硅具有非直接帶隙，因此發(fā)光效率很低?；诠璧募す馄骰蚍糯笃鞑荒芘c其它基于GaAs（砷化鎵）或者InP（磷化銦）的激光器或放大器相媲美；

2、硅的帶隙也較大，無(wú)法探測波長(cháng)接近1300nm、1500nm波長(cháng)的光；

3、硅具有二階非線(xiàn)性（二階非線(xiàn)性光學(xué)效應是非線(xiàn)性光學(xué)晶體材料的關(guān)鍵性能），因此無(wú)法制作電光調制器；

4、芯片上的激光光源很難進(jìn)行散熱；

5、光學(xué)連接器精度要求較高，難以在量產(chǎn)中實(shí)現。

最新研究進(jìn)展

文章開(kāi)頭提到的自校準光子芯片，通過(guò)快速可靠重編程技術(shù)加快了搜索速度，而搜索速度是醫療診斷、自動(dòng)駕駛車(chē)輛、互聯(lián)網(wǎng)安全等許多應用的重要屬性。

這項研究的一個(gè)關(guān)鍵挑戰是將所有光學(xué)功能集成到一個(gè)可“插入”現有基礎設施的設備上。研究團隊提出的解決方案是：在芯片制造后對其進(jìn)行校準，也就是使用集成參考路徑而非外部設備對芯片進(jìn)行校準，這提供了“撥號”所需的所有設置和開(kāi)關(guān)功能。

莫納什大學(xué)阿瑟·洛厄里教授表示，該自校準可編程的光子濾波器芯片，使可調諧光子集成電路廣泛應用于多個(gè)領(lǐng)域，如根據顏色調換信號的光通信系統、運行速度極快的相關(guān)器（相關(guān)接收器，即利用信號的相關(guān)特性將有用信號從干擾和噪聲中提取出來(lái)的工具）、用于化學(xué)或生物分析甚至天文學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)儀器等。