打破摩尔定律瓶颈！IMEC研发硅光子芯片新器件，登上Nature子刊

上周日，电路和计较机体系专家杰克·赫兹（Jake Hertz）撰文称，跟着芯片制程的慢慢缩小，摩尔定律正在碰着天花板，个中芯片互连是今朝的技能瓶颈之一，硅光子学则有也许办理这一题目。杰克·赫兹首要分享了IMEC登上《天然·光子学》的研究项目和英特尔的硅光子学器件研究成就。

硅光子学是基于硅芯片的光子学技能，通过光波导传输数据，而非传统集成电路顶用铜互连线传输电信号，可以或许实现更高的数据速度，也不存在电磁滋扰题目，可以低落芯片功耗。

一、互连正在成为芯片机能瓶颈

当前集成电路有两个成长趋势：芯片制程正变得越来越小，芯单方面积变得越来越大。因为制程变小，互连线的宽度和厚度都在减小；而芯单方面积的增进使得互连线也在变长。

互连线就相等于IC内部的街道和高速公路，可将集成电路的各个元件毗连起来，并与外界举办互动交换。互连层是芯片制造工艺中最麋集、本钱最轻易受影响的部门。

另外，由于芯片互连层的增进，使得各个互连层之间的间隔逐渐变小。这导致互连阻抗大幅增进，令互连层成为芯片耽误和功耗的最大输出来历之一。

▲互连正在成为IC计划的瓶颈（来历：Tomasz Grzela）

二、IMEC：研发100倍迅速度光机器超声探测器

除了英特尔之外，来自比利时微电子研究中心的一组研究职员也以为硅光子学具有重要的研究代价。

Wouter Westerveld率领的研究小组开拓出一种集成在硅光子芯片上的高迅速度光机器超声探测器（OMUS），该装备的迅速度比沟通尺寸的压电探测器高100倍，这项研究登上了顶级学术期刊《天然·光子学》。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-021-00776-0

传统的超声波传感器行使压电器件阵列，其压电器件依靠于特定超声波频率下的机器共振，会受到很多身分的限定。譬喻，压电器件越小，其迅速度就越低，难以构建大型阵列。

而IMEC的研究职员提出了一种新的要领，纵然用“裂肋式”硅光子波导（Split-rib waveguide）。他们通过像肋骨一样的光子波导环形凭借在薄膜上，充当光子谐振器，之后再对整个薄膜施加一个强电场。

▲光机器超声探测器表示图（来历：《天然·光子学》）

这样，当超声波使薄膜轻微变形时，电场就会在波导的折射率中产生变革，从而该改变环形肋的共振波长。研究职员通过可调谐激光器及时读取波长，按照波长改变革获得精准的探测功效。

这项技能使得大型OMUS阵列可以集成到硅光子芯片上，依附其特征可以合用于X线搜查和肿瘤检测等生物医学应用。

三、英特尔：光互连六大技能要素齐全

很多人以为，办理这些题目的要领是硅光子学。客岁12月4日，在英特尔研究院开放日上，英特尔首席工程师、英特尔研究院PHY研究尝试室主任James Jaussi分享了英特尔在集成光点规模的最新盼望。

James指出，电气互连面对两大限定，一是电气互连逐渐迫近物理极限，高能效电路计划存在诸多限定；二是I/O功耗墙的限定，即I/O功耗会逐渐高于现有的插接电源，导致电气机能扩展跟不上带宽需求的增添速率。

他提到，通过硅光子学技能，英特尔办理了电气I/O（输入/输出）的限定，实现了在光互连规模的要害盼望。

光互连技能涉及六大技能要素，别离是：光发生、光放大、光检测、光调制、CMOS接口电路和封装集成。此前，英特尔在殽杂激光器的光发生规模实现创新。勾当上，James展示了英特尔在其他五大技能构建模块上的盼望。

别离是微型环调制器（micro-ring modulators）、全硅光电检测器（all silicon photo detector）、集成半导体光学放大器、集成多波长激光器（Integrated multi-wavelength lasers）和硅光子与CMOS芯片集成的封装技能。

▲英特尔微型环调制器宣传图（来历：英特尔）

按照英特尔官网动静，其微型环调制器缩小到了传统芯片调制器尺寸的1/1000。据其先容，英特尔照旧独逐一家在CMOS芯片单一平台大将多波长激光器、半导体光学放大器、全硅光电检测器以及微型环调制器集成到一路的公司。

四、硅光子学技能仍处研究阶段

尽量硅光子学有很大的远景，可是该技能也面对许多挑衅：

1、因为硅具有非直接带隙，因此发光服从很低。基于硅的激光器或放大器不能与其余基于GaAs可能InP的激光器或放大器相媲美；

2、硅的带隙也较大，无法探测波长靠近1300nm、1500nm波长的光；

3、硅具有二阶非线性，因此无法建造电光调制器；

4、芯片上的激光光源很难举办散热；

5、光学毗连器精度要求较高，难以在量产中实现。

以是今朝为止，这项技能首要范围于研究。可是硅光子学很切合数据中心等高传输速度、低能耗应用的需求，将会受市场一连敦促。

结语：硅光子学或可办理互连瓶颈

硅光子学在家产、军事、经济等各个规模内都有普及的应用，更是光收集通讯与光子计较等技能的基本。鉴于今朝传统半导体电路面对的挑衅，硅光子学技能已担当到了越来越多的存眷。其高速传输手段和低能耗或者可以办理当前芯片中的互连瓶颈，敦促芯片技能进一步成长。

不外，构建适用的硅光子学装备仍必要原料科学、光子学、电子学等规模的研究职员之间的普及跨学科全力和相助。

来历：All About Circuits、英特尔、《天然·光子学》

（编辑：湖南网）

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