硅光子學有可能打破芯片互連是目前的技術這項瓶頸

上周日，電路和計算機系統(tǒng)專家杰克·赫茲（Jake Hertz）撰文稱，隨著芯片制程的逐步縮小，摩爾定律正在遇到天花板，其中芯片互連是目前的技術瓶頸之一，硅光子學則有可能解決這一問題。杰克·赫茲主要分享了IMEC登上《自然·光子學》的研究項目和英特爾的硅光子學器件研究成果。

硅光子學是基于硅芯片的光子學技術，通過光波導傳輸數(shù)據，而非傳統(tǒng)集成電路中用銅互連線傳輸電信號，能夠實現(xiàn)更高的數(shù)據速率，也不存在電磁干擾問題，可以降低芯片功耗。

一、互連正在成為芯片性能瓶頸

當前集成電路有兩個發(fā)展趨勢：芯片制程正變得越來越小，芯片面積變得越來越大。由于制程變小，互連線的寬度和厚度都在減??；而芯片面積的增加使得互連線也在變長。

互連線就相當于IC內部的街道和高速公路，可將集成電路的各個元件連接起來，并與外界進行互動交流。互連層是芯片制造工藝中最密集、成本最容易受影響的部分。

此外，因為芯片互連層的增加，使得各個互連層之間的距離逐漸變小。這導致互連阻抗大幅增加，令互連層成為芯片延遲和功耗的最大輸出來源之一。

▲互連正在成為IC設計的瓶頸（來源：Tomasz Grzela）

二、IMEC：研發(fā)100倍靈敏度光機械超聲探測器

除了英特爾之外，來自比利時微電子研究中心的一組研究人員也認為硅光子學具有重要的研究價值。

Wouter Westerveld領導的研究小組開發(fā)出一種集成在硅光子芯片上的高靈敏度光機械超聲探測器（OMUS），該設備的靈敏度比相同尺寸的壓電探測器高100倍，這項研究登上了頂級學術期刊《自然·光子學》。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-021-00776-0

傳統(tǒng)的超聲波傳感器使用壓電器件陣列，其壓電器件依賴于特定超聲波頻率下的機械共振，會受到許多因素的限制。例如，壓電器件越小，其靈敏度就越低，難以構建大型陣列。

而IMEC的研究人員提出了一種新的方法，即使用“裂肋式”硅光子波導（Split-rib waveguide）。他們通過像肋骨一樣的光子波導環(huán)形依附在薄膜上，充當光子諧振器，之后再對整個薄膜施加一個強電場。

▲光機械超聲探測器示意圖（來源：《自然·光子學》）

這樣，當超聲波使薄膜稍微變形時，電場就會在波導的折射率中發(fā)生變化，從而該改變環(huán)形肋的共振波長。研究人員通過可調諧激光器實時讀取波長，根據波長改變化得到精準的探測結果。

這項技術使得大型OMUS陣列可以集成到硅光子芯片上，憑借其特性可以適用于X線檢查和腫瘤檢測等生物醫(yī)學應用。

三、英特爾：光互連六大技術要素齊備

許多人認為，解決這些問題的方法是硅光子學。去年12月4日，在英特爾研究院開放日上，英特爾首席工程師、英特爾研究院PHY研究實驗室主任James Jaussi分享了英特爾在集成光點領域的最新進展。

James指出，電氣互連面臨兩大限制，一是電氣互連逐漸逼近物理極限，高能效電路設計存在諸多限制；二是I/O功耗墻的限制，即I/O功耗會逐漸高于現(xiàn)有的插接電源，導致電氣性能擴展跟不上帶寬需求的增長速度。

他提到，通過硅光子學技術，英特爾解決了電氣I/O（輸入/輸出）的限制，實現(xiàn)了在光互連領域的關鍵進展。

光互連技術涉及六大技術要素，分別是：光產生、光放大、光檢測、光調制、CMOS接口電路和封裝集成。此前，英特爾在混合激光器的光產生領域實現(xiàn)創(chuàng)新。活動上，James展示了英特爾在其他五大技術構建模塊上的進展。

分別是微型環(huán)調制器（micro-ring modulators）、全硅光電檢測器（all silicon photo detector）、集成半導體光學放大器、集成多波長激光器（Integrated multi-wavelength lasers）和硅光子與CMOS芯片集成的封裝技術。

根據英特爾官網消息，其微型環(huán)調制器縮小到了傳統(tǒng)芯片調制器尺寸的1/1000。據其介紹，英特爾還是唯一一家在CMOS芯片單一平臺上將多波長激光器、半導體光學放大器、全硅光電檢測器以及微型環(huán)調制器集成到一起的公司。

四、硅光子學技術仍處研究階段

盡管硅光子學有很大的前景，但是該技術也面臨很多挑戰(zhàn)：

1、由于硅具有非直接帶隙，因此發(fā)光效率很低?；诠璧募す馄骰蚍糯笃鞑荒芘c其它基于GaAs或者InP的激光器或放大器相媲美；

2、硅的帶隙也較大，無法探測波長接近1300nm、1500nm波長的光；

3、硅具有二階非線性，因此無法制作電光調制器；

4、芯片上的激光光源很難進行散熱；

5、光學連接器精度要求較高，難以在量產中實現(xiàn)。

所以目前為止，這項技術主要局限于研究。但是硅光子學很符合數(shù)據中心等高傳輸速率、低能耗應用的需求，將會受市場持續(xù)推動。

結語：硅光子學或可解決互連瓶頸

硅光子學在工業(yè)、軍事、經濟等各個領域內都有廣泛的應用，更是光網絡通信與光子計算等技術的基礎。鑒于目前傳統(tǒng)半導體電路面臨的挑戰(zhàn)，硅光子學技術已經受到了越來越多的關注。其高速傳輸能力和低能耗或許可以解決當前芯片中的互連瓶頸，推動芯片技術進一步發(fā)展。

不過，構建實用的硅光子學設備仍需要材料科學、光子學、電子學等領域的研究人員之間的廣泛跨學科努力和合作。

來源：All About Circuits、英特爾、《自然·光子學》

編輯：jq