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，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突破。
業(yè)內(nèi)普遍認為，芯片技術日新月異的同時，也一步步逼近其物理理論的極限。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）教授Tobias Kippenberg團隊開發(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，得到了創(chuàng)紀錄的低光學損耗，且芯片尺寸小。相關研究發(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”，開辟新的“賽道”。

氮化硅微腔光學芯片圖片來源：《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微納技術中心博士劉駿秋告訴《中國科學報》，“利用這一技術，我們制造了光損耗僅為1dB/m的集成光路，創(chuàng)下了所有非線性光子集成材料的紀錄?！?/span>
使用這項新技術，研究人員在5平方毫米的芯片上制備了高品質(zhì)因數(shù)的微諧振器和超過一米長的波導。
他們還報告了九成的制造良品率，這對于將來擴大工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模至關重要。
“超低損耗的氮化硅集成光子芯片對未來通信、計算和6G技術都至關重要。這種類型的光子芯片可以將信息編碼進光，再通過光纖傳輸，并成為光通信的一個核心組成部分?！眲ⅡE秋說。

光子集成后發(fā)先至

“電子芯片工作時，可以理解為電信號輸入芯片進行處理，比如存儲、讀取、進行運算等，之后再輸出。與之類似，光子芯片是將光信號輸入芯片，進行數(shù)據(jù)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，從而使光子芯片的數(shù)據(jù)處理能力、容量及帶寬均大幅度提升。
光波的波長、頻率、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同的數(shù)據(jù)，用來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、低時延等特點，且不易受到溫度、電磁場和噪聲變化的影響?！?/span>
中科創(chuàng)星董事總經(jīng)理張思申說，“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，光芯片在諸多領域，比如通信、激光雷達、傳感、圖像分析方面有獨一無二的優(yōu)勢?！?/span>
劉駿秋解釋說，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，同時功耗比電芯片更小。因為光在傳播中不會產(chǎn)生任何熱效應，這和電子不一樣，還有光和光之間不會有相互作用，不會受到背景電磁場干擾。
劉駿秋所在團隊曾利用氮化硅光芯片架構(gòu)光神經(jīng)網(wǎng)絡，使用一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡去求解矩陣，然后應用在浮雕過濾器上。相關成果發(fā)表在今年1月的《自然》上。
“我們把一個圖像信號輸入系統(tǒng)中，經(jīng)過浮雕過濾器，它會強化高頻信號、弱化低頻信號，即實現(xiàn)強化圖像邊緣的目的。比如一輛小汽車的圖片，它原來的車燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)你可能看不到。經(jīng)過浮雕過濾器處理的新圖像中，車燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)被強化了?！?/span>
劉駿秋說，“這證明了氮化硅光子芯片在光神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學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。
若應用到光學相關斷層掃描，則可以看生物組織的結(jié)構(gòu)。它還能用作數(shù)據(jù)中心開關，進行數(shù)據(jù)調(diào)控。

兩條賽道的競爭與合作

劉駿秋說，通俗地理解，信息在手機或者電腦里進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，到這一步就需要進行電光轉(zhuǎn)換。
“目前，光和電是在兩個‘賽道’上，各有自己的應用場景。”
“現(xiàn)在英特爾數(shù)據(jù)中心用的集成半導體激光器，就是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，然后進行數(shù)據(jù)處理、編碼和傳輸。英特爾每年向全世界輸送數(shù)千萬個這樣的集成半導體激光器芯片?！?/span>
劉駿秋說，“光子集成電路相對于傳統(tǒng)分立的‘光—電—光’處理方式降低了復雜度，提高了可靠性，能夠以更低的成本構(gòu)建一個具有更多節(jié)點的全新網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。雖然目前仍處于初級發(fā)展階段，不過其成為光器件的主流發(fā)展趨勢已成必然?！?/span>
“在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電集成的結(jié)合，還需要很長一段時間，才能實現(xiàn)全光計算。”
張思申說，“總體來說，目前只在個別計算和傳輸領域，光子芯片可以替代電子芯片?！?/span>
劉駿秋認為，從架構(gòu)上可以看出，光子芯片系統(tǒng)整體非常復雜。
光子芯片系統(tǒng)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，很少有單個研究單位能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)進行架構(gòu)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(jié)構(gòu)的要求不像電芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。
因此，光子芯片不會像電子芯片那樣必須使用極紫外光刻機（EUV）。
“光的波長在百納米到一微米量級，因此限制了光子器件的集成密度。但這同時也意味著，光芯片達到最理想的工作條件并不依賴最先進的半導體工藝制程，比如極紫外光刻機。”
劉駿秋說，“這大大降低了對先進工藝的依賴，一定程度上緩解了當前芯片發(fā)展的瓶頸問題。”
此外，光子芯片提供了全新的芯片設計架構(gòu)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(wěn)定，不容易受外界影響。同時這也是光的劣勢，意味著人們想操控光，改變它的狀態(tài)，手段非常有限?！?/span>
劉駿秋說，“在某些應用場景中，兩者也有競爭，比如神經(jīng)網(wǎng)絡。但更多的時候，二者是合作關系。光芯片技術目前還沒有電芯片成熟，所以未知的因素很多，兩者未來應該很好地銜接起來?！?/span>
對此，中國科學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點。
“電子集成電路和光子集成電路之間是互補的關系?！?/span>
羅軍對《中國科學報》說，“未來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，在新的‘賽道’上跑出更好成績。”

相關論文信息：

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

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

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

編輯 | 趙路排版 | 郭剛

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