聊聊光子芯片

今年七月，澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)研制出首款自校準(zhǔn)光子芯片，其能“變身”數(shù)據(jù)高速公路上的橋梁，改變當(dāng)前光學(xué)芯片之間的連接狀況，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋型龠M(jìn)人工智能和自動(dòng)駕駛汽車等領(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(qū)別在哪？有哪些優(yōu)勢(shì)和技術(shù)難點(diǎn)？在哪些領(lǐng)域會(huì)得到怎樣的應(yīng)用？本文將針對(duì)上述問題一一進(jìn)行解答。

光子芯片應(yīng)運(yùn)而生

1959年，美國著名半導(dǎo)體廠商仙童公司（Fairchild Semiconductor）首先推出了平面型晶體管，緊接著于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)來形成半導(dǎo)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(yīng)提高，從而具有極大的發(fā)展?jié)摿?。因此平面工藝被認(rèn)為是“整個(gè)半導(dǎo)體的工業(yè)鍵”，也是摩爾定律問世的技術(shù)基礎(chǔ)。

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(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)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。

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

一、以電子為載體的技術(shù)發(fā)展已趨近物理極限。當(dāng)下集成電路是以硅為基礎(chǔ)材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當(dāng)制程降至7納米以下時(shí)，極易出現(xiàn)電涌和電子擊穿問題，也就是已經(jīng)很難完美地對(duì)電子進(jìn)行控制。雖然代表全球最頂尖水平的臺(tái)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(nèi)人士普遍認(rèn)為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會(huì)達(dá)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(xiàn)“功耗墻”難題。比如，巨大的耗能壓力就是計(jì)算機(jī)發(fā)展的最大技術(shù)障礙之一。雖然國內(nèi)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）半導(dǎo)體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結(jié)構(gòu)、新材料；

三、過去幾十年中處理器的性能以每年約55%的速度提升，而內(nèi)存性能的提升速度約為每年10%，長(zhǎng)期累積下來，不平衡的發(fā)展速度造成了當(dāng)前內(nèi)存的存取速度嚴(yán)重滯后于處理器的計(jì)算速度，訪存瓶頸導(dǎo)致高性能處理器難以發(fā)揮出應(yīng)有的功效；

四、電子芯片性能提升的同時(shí)，性價(jià)比在降低。業(yè)界普遍認(rèn)為，28納米是芯片性價(jià)比最高的尺寸。根據(jù)SEMI國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)的芯片主流設(shè)計(jì)成本模型圖，采用FinFET（FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）工藝，的5納米芯片設(shè)計(jì)成本已是28納米工藝設(shè)計(jì)成本的近8倍，更復(fù)雜的GAA（Gate-all-around，環(huán)繞柵極）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本只會(huì)更高，這僅是芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試中的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。制造環(huán)節(jié)的晶圓代工廠的研發(fā)、建廠、購買生產(chǎn)設(shè)備耗費(fèi)的資金會(huì)更多，比如三星在美國得克薩斯州計(jì)劃新建的5納米晶圓廠預(yù)計(jì)投資高達(dá)170億美元。

半導(dǎo)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(yīng)運(yùn)而生。

光子芯片和電子芯片

電子芯片通常指的是傳統(tǒng)芯片，即內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小，常常是計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備的一部分。它是電子設(shè)備中最重要的部分，承擔(dān)著完成運(yùn)算，處理任務(wù)和控制存儲(chǔ)的功能。電腦、手機(jī)、電視和各種智能電子產(chǎn)品都都離不開芯片。

光子芯片采用的是光波來作為信息傳輸或數(shù)據(jù)運(yùn)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(dǎo)（引導(dǎo)光波在其中傳播的介質(zhì)裝置）來傳輸導(dǎo)模（導(dǎo)模是指光波限制在圓筒內(nèi)（光纖）向前傳播）光信號(hào)，將光信號(hào)和電信號(hào)的調(diào)制、傳輸、解調(diào)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(hào)來作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來作為信息載體。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(xiàn)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(qiáng)的抗電磁干擾能力。此外，光互聯(lián)還可以通過使用更多方式來提高傳輸媒質(zhì)內(nèi)的通信容量。

從國家戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)略需求的角度，光子芯片可以解決很多在數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)、無法實(shí)時(shí)處理、功耗高等應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。例如，在遠(yuǎn)距離、高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)距、測(cè)速和高分辨成像激光雷達(dá)中，在生物醫(yī)藥、納米器件等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高分辨無損檢測(cè)的新型計(jì)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(shì)。

此外，AI光子芯片是一種光計(jì)算架構(gòu)與人工智能算法高度匹配的芯片設(shè)計(jì)，有潛力廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、安防監(jiān)控、語音識(shí)別、圖像識(shí)別、醫(yī)療診斷、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)級(jí)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵人工智能領(lǐng)域。

類腦光子芯片可以模擬人腦的計(jì)算，通過光子攜帶信息在模擬大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下處理數(shù)據(jù)，使芯片達(dá)到像人腦一樣高速并行且低功耗的計(jì)算。以微納光子集成為基礎(chǔ)的光子芯片結(jié)合基于光學(xué)計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)未來低功耗、高速度、寬帶寬、大數(shù)據(jù)量信息處理能力的關(guān)鍵。

挑戰(zhàn)

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(dāng)給磷化銦施加電壓的時(shí)候，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅(qū)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(zhàn)：

1、由于硅具有非直接帶隙，因此發(fā)光效率很低。基于硅的激光器或放大器不能與其它基于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，無法探測(cè)波長(zhǎng)接近1300nm、1500nm波長(zhǎng)的光；

3、硅具有二階非線性（二階非線性光學(xué)效應(yīng)是非線性光學(xué)晶體材料的關(guān)鍵性能），因此無法制作電光調(diào)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(xiàn)。

最新研究進(jìn)展

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

這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將所有光學(xué)功能集成到一個(gè)可“插入”現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備上。研究團(tuán)隊(duì)提出的解決方案是：在芯片制造后對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，也就是使用集成參考路徑而非外部設(shè)備對(duì)芯片進(jìn)行校準(zhǔn)，這提供了“撥號(hào)”所需的所有設(shè)置和開關(guān)功能。

莫納什大學(xué)阿瑟·洛厄里教授表示，該自校準(zhǔn)可編程的光子濾波器芯片，使可調(diào)諧光子集成電路廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如根據(jù)顏色調(diào)換信號(hào)的光通信系統(tǒng)、運(yùn)行速度極快的相關(guān)器（相關(guān)接收器，即利用信號(hào)的相關(guān)特性將有用信號(hào)從干擾和噪聲中提取出來的工具）、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。