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(kāi)，臺(tái)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(rèn)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(tuán)隊(duì)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(jì)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”。

“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(xué)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(tuán)隊(duì)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(gè)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(jìn)行拋光，這樣就得到一個(gè)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(dāng)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(guó)科學(xué)報(bào)》，“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(jì)錄。”

使用這項(xiàng)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(guò)一米長(zhǎng)的波導(dǎo)。他們還報(bào)告了九成的制造良品率，這對(duì)于將來(lái)擴(kuò)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(duì)未來(lái)通信、計(jì)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。”劉駿秋說(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(hào)輸入芯片進(jìn)行處理，比如存儲(chǔ)、讀取、進(jìn)行運(yùn)算等，之后再輸出。與之類(lèi)似，光子芯片是將光信號(hào)輸入芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算和輸出的芯片。”劉駿秋表示，“相對(duì)于電子芯片，光子芯片雖然起步較晚，但有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。”

科學(xué)家認(rèn)為，光具有天然的并行處理能力及成熟的波分復(fù)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(zhǎng)、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(lái)作為非常高效的通信種子源。

“光子芯片具有高運(yùn)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。”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。”

“與電芯片相比，光芯片在諸多領(lǐng)域，比如通信、激光雷達(dá)、傳感、圖像分析方面有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。”劉駿秋解釋說(shuō)，光芯片速率可以達(dá)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?yàn)楣庠趥鞑ブ胁粫?huì)產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，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(tuán)隊(duì)曾利用氮化硅光芯片架構(gòu)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(yīng)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(hào)輸入系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)浮雕過(guò)濾器，它會(huì)強(qiáng)化高頻信號(hào)、弱化低頻信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)被強(qiáng)化了。”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(xí)方面有很好的應(yīng)用。”

除人工智能外，光子芯片廣泛用于激光雷達(dá)、微波濾波器、毫米波生成、天體光譜儀校準(zhǔn)、低噪聲微波生成，也可以用作中紅外雙梳光譜，測(cè)量氣體當(dāng)中的成分。若應(yīng)用到光學(xué)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(kāi)關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)控。

兩條賽道的競(jìng)爭(zhēng)與合作

劉駿秋說(shuō)，通俗地理解，信息在手機(jī)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(zhuǎn)換。“目前，光和電是在兩個(gè)‘賽道’上，各有自己的應(yīng)用場(chǎng)景。”

“現(xiàn)在英特爾數(shù)據(jù)中心用的集成半導(dǎo)體激光器，就是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后進(jìn)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(wàn)個(gè)這樣的集成半導(dǎo)體激光器芯片。”劉駿秋說(shuō)，“光子集成電路相對(duì)于傳統(tǒng)分立的‘光—電—光’處理方式降低了復(fù)雜度，提高了可靠性，能夠以更低的成本構(gòu)建一個(gè)具有更多節(jié)點(diǎn)的全新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然目前仍處于初級(jí)發(fā)展階段，不過(guò)其成為光器件的主流發(fā)展趨勢(shì)已成必然。”

“在邏輯運(yùn)算領(lǐng)域，未來(lái)的趨勢(shì)是光電集成的結(jié)合，還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算。”張思申說(shuō)，“總體來(lái)說(shuō)，目前只在個(gè)別計(jì)算和傳輸領(lǐng)域，光子芯片可以替代電子芯片。”

劉駿秋認(rèn)為，從架構(gòu)上可以看出，光子芯片系統(tǒng)整體非常復(fù)雜。光子芯片系統(tǒng)里有光源、處理器、探測(cè)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?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)和制備。在制造工藝上，兩者雖然流程和復(fù)雜程度相似，但光子芯片對(duì)結(jié)構(gòu)的要求不像電芯片那樣嚴(yán)苛，一般是百納米級(jí)。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(jī)(EUV)。

“光的波長(zhǎng)在百納米到一微米量級(jí)，因此限制了光子器件的集成密度。但這同時(shí)也意味著，光芯片達(dá)到最理想的工作條件并不依賴(lài)最先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝制程，比如極紫外光刻機(jī)。”劉駿秋說(shuō)，“這大大降低了對(duì)先進(jìn)工藝的依賴(lài)，一定程度上緩解了當(dāng)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(shè)計(jì)架構(gòu)思路，徹底顛覆原有的設(shè)計(jì)理念，有更多的設(shè)計(jì)創(chuàng)意空間。

“光有光的優(yōu)勢(shì)，電有電的優(yōu)勢(shì)。光的優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定，不容易受外界影響。同時(shí)這也是光的劣勢(shì)，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(shuō)，“在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，兩者也有競(jìng)爭(zhēng)，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(yīng)該很好地銜接起來(lái)。”

對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研究員、集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心副主任羅軍持同樣觀點(diǎn)。

“電子集成電路和光子集成電路之間是互補(bǔ)的關(guān)系。”羅軍對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》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(jī)。”

標(biāo)簽： 芯片領(lǐng)域