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今年7月，由澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊開發(fā)了第一個自校準(zhǔn)光子芯片，可以改變數(shù)據(jù)高速公路上的橋梁，改變當(dāng)前光學(xué)芯片之間的連接，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，有望促進(jìn)人工智能和自動駕駛汽車的發(fā)展。最新的研究發(fā)表在《自然》中·雜志《光子學(xué)》。

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什么是光子芯片？它和普通芯片有什么區(qū)別？有哪些優(yōu)點和技術(shù)難點？將在哪些領(lǐng)域應(yīng)用？本文將逐一回答上述問題。

光子芯片應(yīng)運而生

1959年，仙童是美國著名的半導(dǎo)體制造商（Fairchild Semiconductor）平面型集成電路首先推出，其次是1961年。這種平面制造工藝用于研磨非常平的硅片 二極管、三極管、電阻電阻、電容等半導(dǎo)體電路元件的光刻技術(shù)。只要光刻的精度不斷提高，元器件的密度就會相應(yīng)提高，從而具有很大的發(fā)展?jié)摿�。因此，平面工藝被認(rèn)為是整個半導(dǎo)體的工業(yè)鍵

1965年，英特爾(Intel)戈登是創(chuàng)始人之一·摩爾(Gordon Moore)提出摩爾定律。其內(nèi)容是：當(dāng)價格保持不變時，集成電路上可容納的部件數(shù)量每18-24個月增加一次，性能增加一次。換句話說，每美元能買到的計算機(jī)性能將每18-24個月翻一番以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

半個多世紀(jì)以來，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循摩爾定律（Moore's law）隨著軌跡的快速發(fā)展，半導(dǎo)體工藝節(jié)點已經(jīng)到來nm，借助于EUV光刻等先進(jìn)技術(shù)正在向2發(fā)展nm甚至更小的節(jié)點演變，每進(jìn)步1nm所有這些都需要付出巨大的努力，單純依靠改進(jìn)技術(shù)來提高芯片性能的方法已經(jīng)不能完全滿足時代的需要，主要體現(xiàn)在：

以電子為載體的技術(shù)發(fā)展已接近物理極限。目前，集成電路以硅為基礎(chǔ)，硅原子直徑約為0.22納米。當(dāng)工藝降至7納米以下時，容易出現(xiàn)電涌和電子突破問題，即難以完美控制電子。雖然代表世界頂級水平的臺積電仍在不斷開展3納米和2納米的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)能投資，但業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，集成電路的尺寸最多將在2030年達(dá)到物理極限，迫切需要尋找創(chuàng)新發(fā)展的出路；

2、當(dāng)電子芯片尺寸降到極致時，就會出現(xiàn)功耗墻問題。例如，巨大的能耗壓力是計算機(jī)發(fā)展的最大技術(shù)障礙之一。盡管國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界做出了巨大努力，但由于CMOS半導(dǎo)體的功耗密度已接近極限，因此必須尋找新的途徑、新的結(jié)構(gòu)、新的材料；

3、在過去的幾十年里，處理器的性能每年以55%左右的速度提高，而內(nèi)存性能的提高速度約為每年的10%。經(jīng)過長期積累，不平衡的發(fā)展速度導(dǎo)致當(dāng)前內(nèi)存訪問速度嚴(yán)重滯后于處理器的計算速度，訪問存儲瓶頸使得高性能處理器難以發(fā)揮應(yīng)有的作用；

在提高電子芯片性能的同時，性價比也在下降。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。根據(jù)SEMI采用國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會芯片主流設(shè)計成本模型圖FinFET（FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor，5納米芯片的設(shè)計成本是28納米工藝設(shè)計成本的近8倍，更為復(fù)雜GAA（Gate-all-around，結(jié)構(gòu)的設(shè)計成本只會更高，這只是芯片設(shè)計、制造、包裝、測試的設(shè)計環(huán)節(jié)。在制造過程中，研發(fā)、建廠和購買生產(chǎn)設(shè)備將花費更多資金。例如，三星計劃在德克薩斯州新建的5納米晶圓廠預(yù)計將投資170億美元。

半導(dǎo)體行業(yè)逐漸進(jìn)入后摩爾時代，高計算能力和低功耗的光子芯片應(yīng)運而生。

光子芯片和電子芯片

電子芯片通常是指含有集成電路的傳統(tǒng)芯片，體積小，通常是計算機(jī)或其他設(shè)備的一部分。它是電子設(shè)備中最重要的部分，具有完成操作、處理任務(wù)和控制存儲的功能。計算機(jī)、手機(jī)、電視和各種智能電子產(chǎn)品都與芯片不可分割。

光子芯片采用光波作為信息傳輸或數(shù)據(jù)操作的載體，是指依靠集成光學(xué)或硅光電子中介質(zhì)光波導(dǎo)（介質(zhì)裝置引導(dǎo)光波傳輸）傳輸導(dǎo)模（導(dǎo)模是指光波限制在圓柱形（光纖）向前傳輸）光信號、光信號和電信號在同一襯底或芯片上集成的技術(shù)。

電子芯片使用電流信號作為信息載體，而光子芯片使用更頻繁的光波作為信息載體。與電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)相比，光子集成電路和光互聯(lián)顯示出較低的傳輸損耗、較寬的傳輸帶寬、較小的時間延遲和較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。此外，光互聯(lián)還可以通過使用更多的方式來提高傳輸媒體中的通信容量。

從國家戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)略需求的角度來看，光子芯片可以解決數(shù)據(jù)處理時間長、實時處理、功耗高等諸多關(guān)鍵問題。例如，在長距離、高速運動目標(biāo)測距、速度測量和高分辨率成像激光雷達(dá)中，光子芯片可以發(fā)揮其高速平行、低功耗、微型化的優(yōu)勢。

此外，AI光子芯片是一種高度匹配光計算架構(gòu)和人工智能算法的芯片設(shè)計，廣泛應(yīng)用于自動駕駛、安全監(jiān)控、語音識別、圖像識別、醫(yī)學(xué)診斷、游戲、虛擬現(xiàn)實、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵人工智能領(lǐng)域。

類腦光子芯片可以模擬人腦的計算，通過光子攜帶信息在模擬大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架下處理數(shù)據(jù)，使芯片像人腦一樣高速、平行、低功耗�；�于微納光子集成Kionix代理基于光學(xué)計算的光子芯片神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是應(yīng)對未來低功耗、高速、寬帶寬和大數(shù)據(jù)信息處理能力的關(guān)鍵。

挑戰(zhàn)

光子芯片是一種基于硅的激光技術(shù)。它將磷化鎵的發(fā)光屬性和硅的光路由能力集成到一個單一的混合芯片中。當(dāng)給磷化鎵施加電壓時，光進(jìn)入硅波導(dǎo)，產(chǎn)生連續(xù)的激光束，可以驅(qū)動其他硅光子設(shè)備。雖然硅光子學(xué)有很大的前景，但該技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)：

1.由于硅有非直接間隙，發(fā)光效率很低�；�于硅的激光器或放大器不能與其他基于硅的激光器或放大器相匹配GaAs或InP激光器或放大器(磷化鎵)堪比；

2.硅的帶隙也很大，波長接近1300nm、1500nm波長的光；

硅具有二級非線性(二級非線性光學(xué)效應(yīng)是非線性光學(xué)晶體材料的關(guān)鍵性能)，因此無法制造電光調(diào)制器；

4.芯片上的激光光源難以散熱；

5.光學(xué)連接器精度要求高，量產(chǎn)難以實現(xiàn)。

最新的研究進(jìn)展

文章開頭提到的自校準(zhǔn)光子芯片通過快速可靠的重編程技術(shù)加快了搜索速度，搜索速度是許多應(yīng)用的重要屬性，如醫(yī)療診斷、自動駕駛車輛和互聯(lián)網(wǎng)安全。

本研究的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將所有光學(xué)功能集成到一個可以插入現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備中。研究團(tuán)隊提出的解決方案是在芯片制造后校準(zhǔn)芯片，即使用集成參考路徑而不是外部設(shè)備校準(zhǔn)芯片，這提供了撥號所需的所有設(shè)置和開關(guān)功能。

阿瑟，莫納什大學(xué)·洛厄里教授說，校準(zhǔn)可編程光子濾波器芯片，使可調(diào)光子集成電路廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如根據(jù)光通信系統(tǒng)的顏色交換信號、快速相關(guān)器（相關(guān)接收器，即利用干擾和噪聲工具的信號相關(guān)特性）、化學(xué)或生物分析甚至天文學(xué)科學(xué)儀器等。