突破摩爾定律瓶頸，光芯片會是算力之光嗎？

胡智凱

隨著摩爾定律失效，傳統(tǒng)芯片性能的提升速度開始放緩。如今的加工工藝在不斷接近物理極限，可人們對算力的需求不會減少，因此全世界在尋找新的出路，來提升芯片的算力。實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算所使用的光芯片，成為人們目光的焦點(diǎn)。

在相同的芯片面積下，光芯片的延遲、能耗，僅有傳統(tǒng)芯片的千分之一，而工作頻率則增加了10倍。光芯片對工藝尺寸要求不苛刻，而且穩(wěn)定性良好，信息傳輸不受溫度、磁場等常見環(huán)境因素影響。作為算力提升的希望，它究竟是怎樣的芯片呢？

量子研究帶動(dòng)光芯片發(fā)展

與傳統(tǒng)芯片不同，光芯片采用光作為信息的載體。光子相較于電子，可攜帶更多信息，使信息傳遞更高效。同時(shí)，光傳輸時(shí)相比銅線損耗更小，使用的能量也更低，速度更快。

為了保持較快速度，傳統(tǒng)芯片在工作時(shí)要處于隨時(shí)待命的狀態(tài)，就如同手機(jī)的常亮狀態(tài);而光芯片待命時(shí)，則處于近似完全關(guān)機(jī)的狀態(tài)，能耗很小。

光芯片根據(jù)基礎(chǔ)材料的不同，大致可分為兩類。一種是在以InP為代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片;另一種則是在以硅為代表的“無源材料”上制作的。

這兩種芯片各有長短。InP光芯片，原料來源不夠廣泛，導(dǎo)致價(jià)格高昂，但性能優(yōu)異。而硅光芯片能和現(xiàn)有的傳統(tǒng)CMOS芯片工藝兼容，這有利于更快的商業(yè)化?？捎捎诠璨牧献陨硖匦?，其發(fā)光性能遠(yuǎn)不及InP，這極大地限制了硅光芯片。

光芯片和傳統(tǒng)芯片在結(jié)構(gòu)上也有所不同：傳統(tǒng)芯片是少數(shù)大量重復(fù)的幾種結(jié)構(gòu)，經(jīng)過不同的排列組合，實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜的功能。對于光芯片，功能獨(dú)立的器件種類繁多，并且都要進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，包括了激光器、調(diào)制器、放大器、濾波器、耦合器、復(fù)用器等。

光芯片的延遲、能耗，僅有傳統(tǒng)芯片的千分之一。

較為典型的光芯片中，信息在內(nèi)部傳遞時(shí)，存在發(fā)射和接收兩個(gè)過程，這是兩個(gè)相反的過程。不同功能的器件經(jīng)過一定順序組合，形成兩個(gè)部分，一部分負(fù)責(zé)發(fā)射光信號，另一部分負(fù)責(zé)接收光信號。

發(fā)射光信號的部分中，有許多條光通道，每一條都由一個(gè)激光器產(chǎn)生光，經(jīng)過其他器件的調(diào)制，處理為特定類型，再經(jīng)過復(fù)用器與其他波長的光匯合，最后輸出為光信號。

而接受光的部分與其類似，復(fù)合光信號經(jīng)過“解復(fù)用器”，分解為不同類型，再經(jīng)過探測器就可以將信息提取出來。在一個(gè)光芯片上，每條光路調(diào)制的過程越快，復(fù)合的類型越多，發(fā)射與接收的通道越多，芯片能達(dá)到的速率就越快。

光芯片的應(yīng)用也十分廣泛，比如在計(jì)算產(chǎn)業(yè)有量子計(jì)算芯片、人工智能芯片等;在通信產(chǎn)業(yè)有光通信發(fā)射機(jī)芯片、光電探測芯片等;在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)有激光雷達(dá)芯片、生化檢測芯片等。

和傳統(tǒng)芯片發(fā)展初期相似，光芯片如今處于一個(gè)發(fā)展迅速的時(shí)期，并且也有類似摩爾定律的規(guī)律：光子芯片的集成度，每隔兩年半就能翻一番。2004年，集成50個(gè)光子器件的芯片出現(xiàn)，為大規(guī)模集成的光芯片發(fā)展拉開了序幕。

之后，世界各國都在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，迄今尚無一個(gè)國家在這個(gè)領(lǐng)域形成絕對的優(yōu)勢。雖然中國在傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域發(fā)展滯后，但在量子科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域領(lǐng)先，如果能將量子科學(xué)研究推向工程化，勢必會帶動(dòng)光芯片研究領(lǐng)域發(fā)展。

核心難點(diǎn)是加工

在20世紀(jì)末，芯片從業(yè)者就開始為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找出路。其中，光芯片曾被視為最有希望的繼承者。但現(xiàn)實(shí)是殘酷的，科學(xué)家們總被納米級的光學(xué)透鏡難倒。

如今的光芯片，最難的仍然是高精度的微納加工技術(shù)。由于光芯片所需功能器件比傳統(tǒng)芯片多，導(dǎo)致更難集成，所以發(fā)展的核心仍在于芯片加工。

2020年4月29日，在山西大學(xué)光電研究所某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，教授正在調(diào)試光電檢測設(shè)備

首先，目前還未形成有效的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)流程不固定，輔助設(shè)計(jì)工具不完善。

其次，光芯片制造并不容易—它內(nèi)部的器件都是三維結(jié)構(gòu)，集成要考慮的因素就變多了，同時(shí)還引入了光學(xué)相關(guān)因素，會出現(xiàn)一些不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。而且，加工的材料也不單純是硅，還有化合物，這讓制造的復(fù)雜性進(jìn)一步提升。

還有，硅光芯片和InP類的光芯片，都涉及光的耦合，物理模型不好建立，同時(shí)制作成本也比傳統(tǒng)芯片高。由此，工藝仍不完善，成品率也不高。

此外，兩種不同類型的光芯片，還各有各的難。InP類有原材料的光芯片，盡管性能優(yōu)良，仍有很大提升空間，并且距離大規(guī)模商用任重道遠(yuǎn)。其中，內(nèi)部部分器件高昂的價(jià)格，使其難以大規(guī)模推廣。

而對于硅光芯片來說，硅基激光器難以制備，同時(shí)性能與InP類存在較大差距。硅制成的光電子器件，大多嚴(yán)重依賴材料的溫度特性及其他物理效應(yīng)，受環(huán)境影響大，目前與CMOS工藝未達(dá)到最大限度的兼容，以致不能充分利用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝。

硅光芯片在數(shù)據(jù)中心的光互連方面，有很大的應(yīng)用前景。

JePPIX致力于構(gòu)建一個(gè)通用工藝加工平臺，降低InP光芯片高昂的成本