芯片領(lǐng)域混合賽道 突破摩爾定律的“天花板”

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(shù)突破。業(yè)內(nèi)普遍認為，芯片技術(shù)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(shù)，得到了創(chuàng)紀錄的低光學損耗，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”，開辟新的“賽道”。

“硅家族”與大馬士革工藝

光子芯片通常由硅制成，硅在地殼中含量豐富且具有良好的光學特性，但難以滿足集成光子芯片所需的一切條件，因此出現(xiàn)了諸多新材料加以替代，如氮化硅、二氧化硅、氮化鋁、鈮酸鋰、碳化硅等。

Tobias Kippenberg團隊采用一種氮化硅光子大馬士革工藝(光子鑲嵌工藝)技術(shù)。大馬士革工藝是一種非常古老的工藝，最早可以追溯到阿拉伯人在他們的武器和裝飾上面做顏色的鑲嵌和繪圖。這個工藝要先做出圖形輪廓，然后把顏色材料鑲嵌到輪廓中再進行拋光，這樣就得到一個色彩艷麗的圖案。

“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。”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)下了所有非線性光子集成材料的紀錄。”

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(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(guān)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(shù)都至關(guān)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。”劉駿秋說。

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。”

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(shù)，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。”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。”

“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二的優(yōu)勢。”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(luò)，使用一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去求解矩陣，然后應用在浮雕過濾器上。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。”劉駿秋說，“這證明了氮化硅光子芯片在光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學習方面有很好的應用。”

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(guān)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(guān)，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。”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(luò)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。”

“在邏輯運算領(lǐng)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(lǐng)域，光子芯片可以替代電子芯片。”

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(shè)計架構(gòu)思路，徹底顛覆原有的設(shè)計理念，有更多的設(shè)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。”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(luò)。但更多的時候，二者是合作關(guān)系。光芯片技術(shù)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。”

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(guān)系。”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。”

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