硅基光電“芯”發(fā)展

徐凌波　李東升

當(dāng)你把玩著輕巧的智能手機(jī)或是平板電腦時(shí)，你可曾想到計(jì)算機(jī)芯片經(jīng)歷了脫胎換骨的改變。從1958年第一個(gè)僅包含一個(gè)晶體管、三個(gè)電阻和一個(gè)電容的集成電路問世，到如今動(dòng)輒包含10億個(gè)晶體管的處理器芯片，短短50多年時(shí)間，芯片研發(fā)和制造產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。1965年，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾曾大膽預(yù)言：?jiǎn)挝幻娣e芯片上的晶體管數(shù)量每年能實(shí)現(xiàn)翻番。時(shí)至今日，摩爾定律已有半個(gè)世紀(jì)的高齡，它猶如一只無形的大手，推動(dòng)著整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展，計(jì)算機(jī)外形在變小，性能逐步提高，價(jià)格也進(jìn)一步走低。然而，就在各類微型電子產(chǎn)品層出不窮的背景下，集成電路發(fā)展的腳步卻已悄悄放緩，摩爾定律預(yù)言的神話面臨著前所未有的危機(jī)。

反方 短路和發(fā)熱

集成電路是利用半導(dǎo)體、電阻和電容等元件及導(dǎo)線在一小塊硅片上搭建起的微型電路，它是電子社會(huì)的基石，同時(shí)也是芯片制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。伴隨著科技水平的發(fā)展，集成電路中所用元件的尺寸越來越小，但集成度的提升也會(huì)使絕緣材料的厚度減小，致使絕緣能力下降。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕緣層的厚度低于5nm時(shí)，芯片上的集成電路間就會(huì)發(fā)生短路。

除了電路短路問題，在集成度提升的同時(shí)，用于連接各種元件的導(dǎo)線也越來越多，芯片電阻的增大使芯片發(fā)熱成了另一個(gè)棘手的問題。即便是功能相對(duì)單一的手機(jī)芯片，后臺(tái)運(yùn)行任務(wù)過多也可能使其成為“冬日暖手寶”，英偉達(dá)公司的Tegra芯片就因其發(fā)熱問題嚴(yán)重而被戲謔為“核彈”。高溫發(fā)熱儼然已經(jīng)成為了制約集成電路發(fā)展的又一大攔路虎。

正方 硅基光電集成技術(shù)

傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)中，電子是信息傳輸?shù)妮d體，而在科幻小說中則早已出現(xiàn)了“光腦”的暢想。“光腦”就是光子計(jì)算機(jī)，利用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息傳輸與存儲(chǔ)，運(yùn)算效率遠(yuǎn)超電子計(jì)算機(jī)。與電子相比，光子的傳輸速度要大得多，并且光信號(hào)之間不會(huì)相互干擾，可以做到千萬條光束同時(shí)穿越一個(gè)光學(xué)元件而不相互影響。此外，光傳輸、轉(zhuǎn)換過程中的能量消耗極少，這能有效避免高溫產(chǎn)生。然而現(xiàn)實(shí)總是殘酷的，科學(xué)家很快就發(fā)現(xiàn)制造納米級(jí)的光學(xué)透鏡是如此困難，想在小小的芯片上集成數(shù)十億的透鏡更是遠(yuǎn)超現(xiàn)有的技術(shù)水平。幸而科學(xué)家們沒有放棄將光引入芯片世界的努力，并提出了一種行之有效的折中方案——光電子計(jì)算機(jī)。在光電子計(jì)算機(jī)中，數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作還是通過電信號(hào)來完成，信息的傳輸則由光信號(hào)完成。雖然在現(xiàn)有的電子芯片上集成光電轉(zhuǎn)換模塊和光信號(hào)傳輸通道，比制備全新的光子芯片難度降低了很多，但把這些元件縮小到納米尺度也絕非易事。

此后，經(jīng)過科學(xué)家不斷的努力和嘗試，硅基光電集成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它利用集成電路的制造工藝，在硅片上引入各種轉(zhuǎn)化和傳遞光信號(hào)的微型光學(xué)元件。集成電路制造工藝成熟先進(jìn)、價(jià)格低廉；光學(xué)元件則傳輸速率高、抗干擾性好，硅基光電集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二者之間巧妙的結(jié)合。這正如在遠(yuǎn)距離通信中，傳輸光信號(hào)的光纖取代了傳遞電信號(hào)的銅絞線使得信息交換速率快速提升，硅基光電集成技術(shù)可以極大提升芯片間及芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率，進(jìn)一步釋放集成電路的潛能。美國和歐盟等發(fā)達(dá)國家已設(shè)立專項(xiàng)資金對(duì)硅基光電集成技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，我國也在“973計(jì)劃”中明確了相關(guān)內(nèi)容的研究。

光子新時(shí)代

在硅基光電集成技術(shù)的發(fā)展中，英特爾公司是當(dāng)之無愧的先驅(qū)。早在20世紀(jì)90年代中期，英特爾公司就開始了硅基光電集成技術(shù)的研發(fā)，并相繼研發(fā)出了混合硅激光器、硅基光電雪崩探測(cè)器等各種光學(xué)元件。2010年，英特爾公司首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)硅基光電芯片間高達(dá)50GB每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。同年，IBM公司則采用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路制造工藝在硅芯片內(nèi)整合了多種不同的光學(xué)元件和電子電路。種種跡象表明硅基光電芯片不再局限于科研領(lǐng)域，而轉(zhuǎn)換進(jìn)入商業(yè)化領(lǐng)域。

盡管硅基光電集成技術(shù)飛速發(fā)展，但由于硅材料本身的發(fā)光效率極低，這也制約了其大規(guī)模應(yīng)用。一旦硅基光源的研究得以突破，硅基光電集成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必將會(huì)有新的突破。到那時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸速率將高達(dá)上百GB每秒，只要幾秒鐘就能下載整部電影，也可以流暢地在線觀看各種高清視頻及3D全息影像。依賴高傳輸速率，本地設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能也可以大大簡(jiǎn)化，大部分的資源存儲(chǔ)、處理都可以在網(wǎng)絡(luò)云端完成，需要使用時(shí)再發(fā)回本地設(shè)備。可以想象，我們的電腦將會(huì)變得更輕、更薄，待機(jī)時(shí)間也會(huì)大大延長。

硅基光電集成技術(shù)的曙光已經(jīng)出現(xiàn)，相信在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，集成電路發(fā)展必將推動(dòng)人類進(jìn)入全新的“光子時(shí)代”。