新型微芯片技术将使光通信成为可能

根据2018年4月19日发表在Nature上的文章所描述的内容，一种新型微芯片技术可以通过加速数据传输并大量地减少能量消耗来解决当前设备中的亟待解决的瓶颈。

来自波士顿大学，麻省理工学院，加州大学伯克利分校和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员们开发出了一种制造硅芯片的方法，该方法可以实现光通信但不会比现有的芯片技术更昂贵。其结果是美国国防部高级研究计划署资助的为期数年的项目的亮点，该项目由加州大学伯克利分校副教授弗拉基米尔斯托扬诺维奇，麻省理工学院Rajeev Ram教授和波士顿大学和前述科罗拉多大学助理教授Milos Popovic领导的几个团队间的紧密合作完成。他们曾与奥尔巴尼纽约州立大学纳米科学与工程学院（CNSE）的半导体制造研究团队合作。

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照片是由麻省理工学院，加州大学伯克利分校和波士顿大学团队设计的大块硅电子光子芯片。（图片来源：Amir Atabaki）

目前微电子芯片之间的电信号瓶颈已经使得光通信成为进一步技术进步的仅有的几个选择之一。数据传输的传统方法 - 电线 - 对传输数据的速度和速度有限制。电线也消耗大量的能量并产生热量。随着电子产品对高性能和低功耗的不断要求，电线的这些极限已经达到。但是，随着光通信这一新的发展，这一瓶颈可以得到解决。

Popovic表示：“相比于每条光纤承载10到100千兆位每秒，可以仅用一条光纤就可以每秒承载10到20太比特 - 在相同的尺寸下可以多出千倍。”

“如果用光纤代替电线，你可以通过两种方式获胜，”他说。“首先，利用光，您可以发送更高频率的数据，而不会像使用铜线那样显著损耗能量；其次，使用光学器件，您可以在一根光纤中使用多种不同颜色的光，并且每个光纤可以承载数据通道。与没有串扰的铜线相比，光纤也可以更紧密地包装在一起。”

过去，将光子性能集成到计算机和智能手机中使用的最先进的芯片上的进展受到制造障碍的阻碍。现代处理器是由高度发达的工业半导体制造工艺所支持的，能够在一个芯片上完成10亿个晶体管的工作。但是，这些制造工艺进行了精细调整，并设计了一种将光学器件集成在芯片上的方法，同时保持当前电子性能是很困难的。

克服这一障碍的第一个主要成功是在2015年，同一组研究人员在Nature上发表了另一篇文章，解决了这个问题，但是在一个有限的商业相关环境中进行的研究。该论文展示了世界上第一台具有光子数据传输能力的微处理器，以及在不改变原始制造工艺的情况下制造它的方法 - 这是研究人员称之为零变化技术的一个概念。 Ayar 实验室是Ram，Popovic和Stojanovic共同创立的创业公司，该公司最近与主要半导体行业制造商GlobalFoundries合作将该技术商业化。

然而，这种先前的方法适用于不包括最普遍类型的一小部分最先进的微电子芯片，它使用一种被称为散装硅的起始材料。

在这篇新论文中，研究人员通过在硅芯片的光子处理部分引入一套新的材料层，提出了一种适用于基于块状硅的最广泛商业应用的芯片的制造解决方案。他们证明了这种改变使得光通信不会对电子产生负面影响。通过与CNSE Albany最先进的半导体制造研究人员合作开发该解决方案，科学家们确保所开发的任何工艺都能无缝插入到当前的行业级制造中。

“通过仔细研究和优化用于光子器件的附加材料层的性能，我们设法在带宽密度和能耗方面展示最先进的系统级性能，同时与竞争技术相比，从相对便宜的工艺开始，” Popovic研究小组之前的博士后Fabio Pavanello说，他与麻省理工学院的研究科学家Amir Atabaki和加州大学伯克利分校的研究生Sajjad Moazeni一起是论文的第一作者。 Atabaki补充说：“我们三个不同学科的团队多年来进行了一次重要的合作，以实现这一目标。”

将光子技术应用于最先进的大容量硅微电子芯片的这一新平台，承诺提供更快速，更节能的通信，从而大大提高计算和移动设备的性能。超越传统数据通信的应用，包括加速用于图像和语音识别任务的深度学习人工神经网络的训练，以及用于自动驾驶汽车的低成本红外LIDAR传感器，智能手机人脸识别和增强现实技术。此外，采用光学技术的微芯片能够实现新型数据安全和硬件认证，为第5代（5G）无线网络上运行的移动设备提供更强大的芯片，以及用于量子信息处理和计算的组件。

“对于目前最先进的和未来半导体制造技术，电子晶体管尺寸小于20纳米，除了这种方法外，没有其他方式可以集成光子学，” Vladimir Stojanovic说，他的团队领导了这个项目中的一些工作，“用于形成晶体管的所有材料层变得太薄而不能支持光子学，因此需要额外的层。”

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180420170551.htm（实验帮译）

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