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硅光芯片：突破“摩爾定律”曙光初現(xiàn)

點(diǎn)擊：  作者：握文、任永存、朱晰然    來源：人工智能學(xué)家 微信號(hào)  發(fā)布時(shí)間:2021-08-03 10:50:10

 

來源：中國(guó)軍網(wǎng)

講敘人：江天，國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院研究員

作者：王握文、任永存、朱晰然

 

它是在硅基平臺(tái)上將光電子和微電子融合起來的一種新技術(shù)

它顯示出的優(yōu)異性能，為芯片研發(fā)“換道超車”帶來希望

它發(fā)展方興未艾，軍事應(yīng)用潛力巨大、前景非常廣闊

 

 

晶體管被譽(yù)為“20世紀(jì)最偉大的發(fā)明”。它為集成電路、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)，從而將人類社會(huì)迅速帶入信息時(shí)代。

 

當(dāng)今世界，以集成電路為核心的微電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活，并滲透到各個(gè)領(lǐng)域，幾乎改變了整個(gè)世界。

 

芯片作為一種復(fù)雜的集成電路，自20世紀(jì)50年代末發(fā)明以來，它的發(fā)展一直遵循“摩爾定律”，即性能每隔18個(gè)月提高一倍。發(fā)展至今，其集成度已提高5000多萬倍，特征尺寸則縮減至一根頭發(fā)絲直徑的萬分之一，其集成度及加工制造已受到嚴(yán)重制約，尺寸縮小幾乎達(dá)到極限，“摩爾定律”面臨著失效的“窘境”。在這種情況下，人們迫切希望有一種新技術(shù)開辟半導(dǎo)體行業(yè)新局面。

 

可謂“車到山前必有路”。如今，一種以光子和電子為信息載體的硅基光電子技術(shù)正在興起。該技術(shù)催生的硅光芯片，被視為“后摩爾定律”時(shí)代新寵，為半導(dǎo)體芯片“換道超車”帶來了希望，受到科技界廣泛關(guān)注。

 

 

光電優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，硅光芯片迎來曙光

 

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，微電子器件的進(jìn)一步小型化，使得集成電路的互聯(lián)延遲及能耗問題成了高速集成電路一個(gè)不可逾越的障礙。此時(shí)，科學(xué)家便想到了另辟蹊徑。

 

與電子相比，光子作為信息載體有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：光子沒有靜止質(zhì)量，光子之間的干擾相對(duì)更弱，光的不同波長(zhǎng)可用于多路同時(shí)通信，使其帶寬更大、速率更高。

 

那么，用光子代替電子，以光運(yùn)算代替電運(yùn)算，研制開發(fā)光子芯片，問題不就迎刃而解了嗎？理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感。一度被科學(xué)家寄予厚望的光子芯片在現(xiàn)實(shí)中行不通。因?yàn)椋圃煊糜诠庾有酒募{米級(jí)光學(xué)器件現(xiàn)階段難以實(shí)現(xiàn)，而光的集成度也達(dá)不到現(xiàn)有微電子集成電路水平。

 

這并沒有阻止科學(xué)家探索創(chuàng)新的腳步。他們想到，既然電子和光子各有利弊，那么，將兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短融合在一起，是否會(huì)產(chǎn)生意想不到的效果呢？科學(xué)家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：光子作為信息傳遞的載體，具有穩(wěn)定可控的調(diào)制和復(fù)用維度，具有更大的帶寬、更高的頻譜利用率和通信容量。

 

更重要的是，基于微電子技術(shù)先進(jìn)、成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝，在傳統(tǒng)硅芯片上集成光電器件難度不算太大，它無須通過縮小器件尺寸，便可大大提升芯片性能。因此，在傳統(tǒng)硅芯片上，加入光子用來傳輸數(shù)據(jù)，是一個(gè)很有潛力的研究與應(yīng)用方向。

 

早在1985年，被譽(yù)為“硅基光電子之父”的理查德·索里夫，首次提出并驗(yàn)證了單晶硅作為通信波長(zhǎng)的導(dǎo)波材料。這意味著在硅基平臺(tái)上成功“捕獲”了光子，實(shí)現(xiàn)了光子器件集成于硅片之上。

 

隨著硅光相干收發(fā)器、硅光收發(fā)模塊、微波光子鏈路等光子器件在新世紀(jì)相繼問世，硅基光電子技術(shù)進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用階段。不久的將來，大規(guī)模光電集成片上可重構(gòu)系統(tǒng)也將變成現(xiàn)實(shí)，硅基光電子技術(shù)將進(jìn)入自動(dòng)化、集成化的新階段，硅光芯片從此迎來曙光。

 

這種采用微電子和光電子取長(zhǎng)補(bǔ)短相融合的硅基光電子技術(shù)，能在原來的硅芯片上，讓微電子與光電子同時(shí)工作，彼此優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使其性能得到大幅提升。

 

如果將融合了光電子和微電子的硅光芯片看成是一個(gè)聯(lián)合進(jìn)行信息作戰(zhàn)的“兵團(tuán)”，那么，在它納米量級(jí)的“戰(zhàn)場(chǎng)空間”上，光子、電子以及光電子器件等“士兵”進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，在高速、驅(qū)動(dòng)放大、讀出等“友軍”的積極配合下，高精尖的光電耦合封裝技術(shù)就會(huì)讓其形成功能模塊集成。

 

 

硅光芯片問世，性能卓越身價(jià)不凡

 

任何一項(xiàng)新技術(shù)的誕生，都不可能一蹴而就。硅基光電子技術(shù)雖然已取得一系列技術(shù)突破，但受限于光源、調(diào)控、光子器件研制等技術(shù)難題，目前還處于“量少價(jià)高”階段，離大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用還有一段路要走。

 

面對(duì)目前芯片發(fā)展的“窘境”，硅基光電子技術(shù)無疑是未來信息技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)。作為“后摩爾定律”時(shí)代的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，它既具有微電子尺寸小、耗電少、成本低、集成度高等特點(diǎn)，也有光電子多通道、大帶寬、高速率、高密度等優(yōu)點(diǎn)，已顯示出卓越性能。

 

——集成強(qiáng)，整合易。硅基光電子技術(shù)利用大規(guī)模半導(dǎo)體制造工藝這一平臺(tái)，可在絕緣體薄膜硅片上，集成信息吞吐所需的各種光子、電子、光電子器件，包括光源、光波導(dǎo)、調(diào)制器、探測(cè)器和晶體管集成電路等，從而在一個(gè)小小的芯片上實(shí)現(xiàn)光電子技術(shù)和微電子技術(shù)的高效整合。在量子通信、數(shù)據(jù)中心、智能駕駛、消費(fèi)電子等對(duì)尺寸更加敏感的領(lǐng)域，有很大的應(yīng)用空間，將會(huì)顛覆性改變?nèi)藗兾磥砩罘绞健?/span>

 

——帶寬大，速度快。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的流量爆炸式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)銅電路傳輸顯得捉襟見肘。硅基光電子技術(shù)用光通路取代芯片間的數(shù)據(jù)電路，光模塊的大帶寬，不僅可降低能耗和發(fā)熱，還能實(shí)現(xiàn)大容量光互連，有效解決網(wǎng)絡(luò)擁堵和延遲等問題。同時(shí)，用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速率傳輸。用戶與數(shù)據(jù)中心之間、芯片與芯片之間、計(jì)算機(jī)設(shè)備之間以及長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)的信息發(fā)送和接收，都將因此變得快速、穩(wěn)定。

 

——能耗少，成本低。得益于硅基材料高折射率、高光學(xué)限制能力的天然優(yōu)勢(shì)，可將光波導(dǎo)寬度和彎曲半徑分別縮減至約0.4微米和2微米，使其集成密度相對(duì)更高。密度增高帶來的是芯片尺寸的縮減，這勢(shì)必會(huì)帶來低成本、低功耗、小型化等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

 

未來，實(shí)現(xiàn)微電子器件和光電子器件大規(guī)模集成的硅光芯片，不僅能有效解決傳統(tǒng)硅芯片面臨的技術(shù)瓶頸，而且能為半導(dǎo)體行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，推動(dòng)信息技術(shù)邁上新臺(tái)階。

 

發(fā)展方興未艾，軍事應(yīng)用前景廣闊

 

硅基光電子技術(shù)，是當(dāng)前受到國(guó)際重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)戰(zhàn)略前沿技術(shù)，呈現(xiàn)出方興未艾之勢(shì)，將在5G網(wǎng)絡(luò)、生物醫(yī)療、量子信息、數(shù)據(jù)中心光互連等領(lǐng)域刮起一場(chǎng)深刻的變革風(fēng)暴。

 

在軍事領(lǐng)域，硅基光電子技術(shù)同樣顯示出廣闊的應(yīng)用前景——

 

軍事通信方面，硅基光電子技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于擁有相當(dāng)高的傳輸速率，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，能為未來信息化聯(lián)合作戰(zhàn)提供高速、海量的數(shù)據(jù)支撐。目前，400G硅光模塊在一些國(guó)家已成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，在數(shù)據(jù)中心光互連架構(gòu)中的應(yīng)用價(jià)值已得到充分證明，可有效滿足高速軍事通信對(duì)超高傳輸速率、超低延時(shí)、超高穩(wěn)定性、超低成本、低干擾的要求。

 

軍事傳感方面，應(yīng)用硅基光電子技術(shù)的傳感器，具有探測(cè)靈敏度高、尺寸小、戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢(shì)，將其用于下一代智能探測(cè)裝置，可優(yōu)化并升級(jí)作戰(zhàn)性能。激光雷達(dá)已成為軍事探測(cè)和偵察不可或缺的關(guān)鍵傳感器，由于硅光芯片使用的SOI材料具有大折射率差，因而可對(duì)光實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)束縛，其器件能得到顯著縮小。目前激光雷達(dá)普遍龐大笨重，未來應(yīng)用硅基光電子技術(shù)傳感器的激光雷達(dá)將變得跟郵票一樣大，從而使得軍事探測(cè)和偵察目標(biāo)更加精確且更具隱蔽性。有資料顯示，一些國(guó)家已研制出基于硅基光學(xué)相控陣芯片的全固態(tài)激光雷達(dá)，其高集成度、快速掃描、小體積、低成本等優(yōu)勢(shì)，將成為下一代軍用激光雷達(dá)的重要技術(shù)支撐。

 

軍事高性能計(jì)算方面，能耗和信息讀取速度成為制約高性能計(jì)算發(fā)展的兩大因素，與電路相比較，光互連具有低損耗、低色散特點(diǎn)，且不存在寄生現(xiàn)象。其性能與成本不會(huì)隨著距離增加而顯著增加，可使計(jì)算機(jī)并行處理能力和計(jì)算能力得到大幅提升。應(yīng)用硅基光電子芯片的軍事高性能計(jì)算機(jī)，將在導(dǎo)彈彈道計(jì)算、核爆炸計(jì)算等方面發(fā)揮重要作用。

 

此外，硅基光電子技術(shù)在軍事醫(yī)療、軍事偵察、軍事智能化等領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，在生物醫(yī)療方面，已研制出生物傳感器芯片；在軍事智能化領(lǐng)域，硅光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建成和投入使用，將充當(dāng)軍事智能化發(fā)展的“催化劑”。