百納米就好使！光芯片緩解芯片瓶頸難題

IBM研發(fā)出2納米制程芯片的消息尚未傳開(kāi)，臺積電和合作伙伴就宣布取得了1納米以下制程芯片技術(shù)突破。
業(yè)內普遍認為，芯片技術(shù)日新月異的同時(shí)，也一步步逼近其物理理論的極限。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）教授Tobias Kippenberg團隊開(kāi)發(fā)出一種采用氮化硅襯底制造集成光子電路（光子芯片）的技術(shù)，得到了創(chuàng )紀錄的低光學(xué)損耗，且芯片尺寸小。相關(guān)研究發(fā)表在《自然—通訊》上。
光子芯片奮起直追，也許能幫助人們突破摩爾定律的“天花板”，開(kāi)辟新的“賽道”。

氮化硅微腔光學(xué)芯片圖片來(lái)源：《自然—通訊》

“硅家族”與大馬士革工藝

“大馬士革工藝思路曾被用在早期以銅為材料的電子電路制造上。研究當中，我們把氮化硅大馬士革工藝用到集成光路制造上，得到了極低的光損耗?！?/span>
論文第一作者、EPFL微納技術(shù)中心博士劉駿秋告訴《中國科學(xué)報》，“利用這一技術(shù)，我們制造了光損耗僅為1dB/m的集成光路，創(chuàng )下了所有非線(xiàn)性光子集成材料的紀錄?！?/span>
使用這項新技術(shù)，研究人員在5平方毫米的芯片上制備了高品質(zhì)因數的微諧振器和超過(guò)一米長(cháng)的波導。
他們還報告了九成的制造良品率，這對于將來(lái)擴大工業(yè)生產(chǎn)規模至關(guān)重要。
“超低損耗的氮化硅集成光子芯片對未來(lái)通信、計算和6G技術(shù)都至關(guān)重要。這種類(lèi)型的光子芯片可以將信息編碼進(jìn)光，再通過(guò)光纖傳輸，并成為光通信的一個(gè)核心組成部分?！眲ⅡE秋說(shuō)。

光子集成后發(fā)先至

“電子芯片工作時(shí)，可以理解為電信號輸入芯片進(jìn)行處理，比如存儲、讀取、進(jìn)行運算等，之后再輸出。與之類(lèi)似，光子芯片是將光信號輸入芯片，進(jìn)行數據傳輸、存儲、計算和輸出的芯片。”
劉駿秋表示，“相對于電子芯片，光子芯片雖然起步較晚，但有自己獨特的優(yōu)勢?！?/span>
科學(xué)家認為，光具有天然的并行處理能力及成熟的波分復用技術(shù)，從而使光子芯片的數據處理能力、容量及帶寬均大幅度提升。
光波的波長(cháng)、頻率、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同的數據，用來(lái)作為非常高效的通信種子源。
“光子芯片具有高運算速度、低功耗、低時(shí)延等特點(diǎn)，且不易受到溫度、電磁場(chǎng)和噪聲變化的影響?！?/span>
中科創(chuàng )星董事總經(jīng)理張思申說(shuō)，“光子芯片不必追求工藝尺寸的極限縮小，就能有更多的性能用以提升空間?！?/span>
“與電芯片相比，光芯片在諸多領(lǐng)域，比如通信、激光雷達、傳感、圖像分析方面有獨一無(wú)二的優(yōu)勢?！?/span>
劉駿秋解釋說(shuō)，光芯片速率可以達到100G，比電芯片快很多，這樣可以在光的通道上面做更多信息的編碼，承載更多的信息，同時(shí)功耗比電芯片更小。因為光在傳播中不會(huì )產(chǎn)生任何熱效應，這和電子不一樣，還有光和光之間不會(huì )有相互作用，不會(huì )受到背景電磁場(chǎng)干擾。
劉駿秋所在團隊曾利用氮化硅光芯片架構光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，使用一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )去求解矩陣，然后應用在浮雕過(guò)濾器上。相關(guān)成果發(fā)表在今年1月的《自然》上。
“我們把一個(gè)圖像信號輸入系統中，經(jīng)過(guò)浮雕過(guò)濾器，它會(huì )強化高頻信號、弱化低頻信號，即實(shí)現強化圖像邊緣的目的。比如一輛小汽車(chē)的圖片，它原來(lái)的車(chē)燈內部結構你可能看不到。經(jīng)過(guò)浮雕過(guò)濾器處理的新圖像中，車(chē)燈內部結構被強化了?！?/span>
劉駿秋說(shuō)，“這證明了氮化硅光子芯片在光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、深度學(xué)習方面有很好的應用?！?/span>
除人工智能外，光子芯片廣泛用于激光雷達、微波濾波器、毫米波生成、天體光譜儀校準、低噪聲微波生成，也可以用作中紅外雙梳光譜，測量氣體當中的成分。
若應用到光學(xué)相關(guān)斷層掃描，則可以看生物組織的結構。它還能用作數據中心開(kāi)關(guān)，進(jìn)行數據調控。

兩條賽道的競爭與合作

劉駿秋說(shuō)，通俗地理解，信息在手機或者電腦里進(jìn)行處理主要使用電子芯片，但信息的傳遞是需要光纖的。
所以，到這一步就需要進(jìn)行電光轉換。
“目前，光和電是在兩個(gè)‘賽道’上，各有自己的應用場(chǎng)景?！?/span>
“現在英特爾數據中心用的集成半導體激光器，就是將電信號轉換成光信號，然后進(jìn)行數據處理、編碼和傳輸。英特爾每年向全世界輸送數千萬(wàn)個(gè)這樣的集成半導體激光器芯片?！?/span>
劉駿秋說(shuō)，“光子集成電路相對于傳統分立的‘光—電—光’處理方式降低了復雜度，提高了可靠性，能夠以更低的成本構建一個(gè)具有更多節點(diǎn)的全新網(wǎng)絡(luò )結構。雖然目前仍處于初級發(fā)展階段，不過(guò)其成為光器件的主流發(fā)展趨勢已成必然?！?/span>
“在邏輯運算領(lǐng)域，未來(lái)的趨勢是光電集成的結合，還需要很長(cháng)一段時(shí)間，才能實(shí)現全光計算?！?/span>
張思申說(shuō)，“總體來(lái)說(shuō)，目前只在個(gè)別計算和傳輸領(lǐng)域，光子芯片可以替代電子芯片?！?/span>
劉駿秋認為，從架構上可以看出，光子芯片系統整體非常復雜。
光子芯片系統里有光源、處理器、探測器，也需要各種材料之間集成的協(xié)同，很少有單個(gè)研究單位能夠對整個(gè)系統進(jìn)行架構和制備。
在制造工藝上，兩者雖然流程和復雜程度相似，但光子芯片對結構的要求不像電芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。
因此，光子芯片不會(huì )像電子芯片那樣必須使用極紫外光刻機（EUV）。
“光的波長(cháng)在百納米到一微米量級，因此限制了光子器件的集成密度。但這同時(shí)也意味著(zhù)，光芯片達到最理想的工作條件并不依賴(lài)最先進(jìn)的半導體工藝制程，比如極紫外光刻機。”
劉駿秋說(shuō)，“這大大降低了對先進(jìn)工藝的依賴(lài)，一定程度上緩解了當前芯片發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。”
此外，光子芯片提供了全新的芯片設計架構思路，徹底顛覆原有的設計理念，有更多的設計創(chuàng )意空間。
“光有光的優(yōu)勢，電有電的優(yōu)勢。光的優(yōu)勢是穩定，不容易受外界影響。同時(shí)這也是光的劣勢，意味著(zhù)人們想操控光，改變它的狀態(tài)，手段非常有限?！?/span>
劉駿秋說(shuō)，“在某些應用場(chǎng)景中，兩者也有競爭，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。但更多的時(shí)候，二者是合作關(guān)系。光芯片技術(shù)目前還沒(méi)有電芯片成熟，所以未知的因素很多，兩者未來(lái)應該很好地銜接起來(lái)?！?/span>
對此，中國科學(xué)院微電子研究所研究員、集成電路先導工藝研發(fā)中心副主任羅軍持同樣觀(guān)點(diǎn)。
“電子集成電路和光子集成電路之間是互補的關(guān)系?！?/span>
羅軍對《中國科學(xué)報》說(shuō)，“未來(lái)可以充分利用光子集成電路高速率傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優(yōu)點(diǎn)，在新的‘賽道’上跑出更好成績(jì)?！?/span>

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21973-z

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03070-1

《中國科學(xué)報》 (2021-05-20 第3版 信息技術(shù) 原標題為《光電集成：芯片領(lǐng)域進(jìn)入混合“賽道”》)

編輯 | 趙路排版 | 郭剛

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