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周治平：我們?yōu)楹螘?“芯” 痛？一文詳解芯片基本概念

點擊：  作者： 周治平    來源：知識分子  發(fā)布時間:2021-01-07 09:58:42

 

硅基光電子芯片是目前半導體芯片發(fā)展的最高級階段。本圖由作者提供。

 

電子和光子在半導體中獨立運作或者相互作用奠定了不同芯片的基礎。芯片不僅扮演了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)心臟的角色，也給人類社會帶來了各種各樣的機會。對這些芯片的了解程度決定了把握這些機會的能力。心痛可能導致休克，甚至死亡；“芯” 痛則可能導致產(chǎn)業(yè)停滯，甚至消亡。

 

本文通過四個簡單的概念，介紹四種不同的芯片。希望這些基本知識能夠被引伸到對芯片技術以及與之相關的社會發(fā)展問題的一個全新了解。以便從基礎創(chuàng)新，人才培養(yǎng)，到產(chǎn)業(yè)布局，都能夠尊重科技發(fā)展的自然規(guī)律，依靠扎扎實實地耕耘和適當?shù)馁Y源配置，高效率地獲得核心芯片，不再 “芯” 痛。

 

撰文|周治平

 

芯片是一個既熟悉又生疏的話題。我們每個人都聽說過芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特別是最近，除了科研院所，政府機關，資本市場在認真對待以外，在商店里，火車上，豬肉店，水泥廠也有人在討論芯片，有的還打算去創(chuàng)業(yè)造芯片。然而，絕大多數(shù)人都沒有真正見過芯片長什么樣，更不用說了解它們的工作原理并區(qū)分不同的芯片了。

 

大約在60多年前，人們就開始在硅片上進行芯片加工了。當時的芯片非常簡單，有的只有一個晶體管，但是已經(jīng)展現(xiàn)出在尺寸、能耗、和價格方面超越電子管的巨大優(yōu)勢。那個時代叫晶體管時代。

 

然后到了大家熟悉的集成電路時代，經(jīng)過光電子時代，又到了現(xiàn)在這個大家生疏的硅基光電子時代。這些不同的時代實際上是借助了半導體芯片的發(fā)展而實現(xiàn)更迭的。

 

正如人體心臟的主要功能是推動血液流動，向其他器官、組織提供充足的血流量，以維持它們正常的代謝和功能一樣，在今天的信息社會里，半導體芯片擔負著處理信息，并且向各行各業(yè)各個角落傳遞信息的功能。芯片功能的強弱決定了信息社會的強弱。缺乏核心芯片引起的“芯”痛則可能導致信息社會停滯，甚至消亡。

 

1四個概念

 

要想真正地了解芯片，第一步就是把下面的四個基本概念弄清楚。什么是電子？什么是光子？什么是光譜？什么是半導體？這些名詞聽起來好像非常的玄，但實際上非常好理解。

 

電子和光子都是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。大量電子形成的電流，通過金屬導線傳輸；大量光子形成光束通過光波導傳播。不同的是，電子和電子之間可以相互作用：兩束電流相交將形成短路，合為一體；光子之間的相互作用就不那么容易了：兩束光相交叉以后，仍然各走各的路。

 

光譜是光子的特征，表達光子的不同頻率分布?？梢苑謩e攜帶不同的信息。因此，在一根電線里只可以傳輸一路信號；而在一根光波導里則可以同時傳輸許多路不同的信號，使通信容量和速度大大地增加。

 

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體有硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等，硅是各種半導體中，在商業(yè)應用上最為成功的一種。

 

在半導體晶體中，人為地摻入特定的雜質(zhì)元素，使其導電性能可控，這一特性使半導體成為制造電子芯片的最佳材料。

 

半導體中電子和光子擁有強烈的相互作用：加電可以發(fā)光；光照可以發(fā)電。它們是光電子芯片的基礎。

 

2四種芯片

 

迄今為止，四種不同的芯片都是在半導體材料上發(fā)展起來的，也可以被叫做半導體芯片。它們是依賴電子、光子、或者光電相互作用，決定了它們的特征和用途。

 

自從1897年湯姆森證實電子的存在以來, 電子經(jīng)歷了電真空時代（1905），晶體管時代（1947），來到了集成電路（1958）時代。所謂的集成電路也就是電子芯片的一種，就是我們大家每天都聽說的，每天都在用的IC芯片。集成電路主要以硅為材料，它的一個重要特征就是僅僅只利用電子來作為信息載體。

 

借助于摩爾定律的推動以及芯片公司和儀器設備公司的努力，電子產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)成為了全球經(jīng)濟不可分割的一部分。

 

光子這個名稱是在1927年才被人們所認可。經(jīng)歷了空間光學時代和集成光學時代，專家學者們在30多年以后，借用了電子學發(fā)展的路徑，利用類似的技術和方法，將大型的光學元器件集成到了一個小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的重要特征就是僅僅利用光子作為信息載體，不需要電子的參與。

 

由于光子之間的相互作用非常微弱，無法形成低成本、低能耗的功能器件，產(chǎn)業(yè)規(guī)模受限到基本上沒有。因此，目前光子芯片的研發(fā)重點主要聚焦在基礎研究，而不是產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

 

前面講到的兩個芯片，都有自己非常嚴重的局限性。比如電子芯片，由于受到電子本身在半導體內(nèi)運動速度的限制，它的主頻只有幾個GHz。而光子芯片，由于光子本身的弱相互作用，基本上也就是一個無源器件，功能非常受限。

 

為了解決上述問題，人們自然而然地就想到了將光子和電子結(jié)合起來。實際上正是人們在研究光子的過程中，發(fā)現(xiàn)它與電子有密不可分的關系：半導體材料可以通過吸收光子而產(chǎn)生電子，也可以通過電子的湮滅而發(fā)射光子。由此開啟了光電子學的研究，并發(fā)明了激光器和光探測器——最簡單的光電子芯片。光電子芯片的時代始于上世紀70年代。為了獲得更強的光電效應，早期的光電子芯片基本上都是在砷化鎵、磷化銦材料上制作的。但是，這些材料既難于加工，也很難做成像硅單晶那么大的尺寸。因此用它來制作的光電子芯片成本很高，且由于集成度不高，功能非常單一。

 

光電子芯片的出現(xiàn)，給了通信行業(yè)，特別是光通信行業(yè)，一個高速發(fā)展的機會。由于高性能激光器、摻鉺光放大器、波分復用器的出現(xiàn)，通信系統(tǒng)不僅由電纜傳輸切換到光纖傳輸，而且從單線單路發(fā)展到單線多路，大大地提升了通信系統(tǒng)的傳輸速率和通量，降低了成本，使許多家庭感受到了光纖到戶的好處，為即將到來的大數(shù)據(jù)時代奠定了基礎。

 

通過對上述三種芯片的介紹可以發(fā)現(xiàn)：由于電子和光子的固有特性不一樣，他們在產(chǎn)業(yè)應用方面的發(fā)展也是完全不同的。

 

電子之間有強相互作用，因此形成了 “電子產(chǎn)業(yè)”；光子之間基本上沒有互動，也就無法形成自己的產(chǎn)業(yè)。

 

而目前與光子相關的產(chǎn)品，除了光波導，基本上都是光電共同作用的產(chǎn)物。“光電產(chǎn)業(yè)” 也已經(jīng)廣泛進入消費市場。

 

“光子產(chǎn)業(yè)” 只是個概念，根本無法進入消費市場，除非把“光電產(chǎn)業(yè)”改名為 “光子產(chǎn)業(yè)”。

 

縱觀半導體芯片的發(fā)展歷史，電子芯片/集成電路、光子芯片、光電子芯片都僅僅只是其中的一個特殊階段。而半導體芯片目前的發(fā)展趨勢就是將它們有機地統(tǒng)一集成到硅襯底上，形成一個嶄新的 “硅基光電子芯片”。

 

眾所周知，指導微電子發(fā)展的 “摩爾定律” 基本失效，集成電路芯片的發(fā)展趨于飽和。在另一方面，由于大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息高速公路體系中各層分支線路上的數(shù)據(jù)流量也大大增加。為了提高芯片的速度，美國等發(fā)達國家和地區(qū)的科學家在90年代中期就提出了光互連的概念，使 “光進銅退” 延伸到了芯片內(nèi)部。他們使用與硅基集成電路技術兼容的技術和方法，將微納米級的光子、電子、及光電子器件集成在同一硅襯底上，形成硅基光電子芯片。

 

說的通俗一點，就是為了應對人們對數(shù)據(jù)流量需求的不斷增長，而電子芯片無能為力的情況下，將光子加入到目前的硅基集成電路中間去，形成一個既快速又便宜的新型大規(guī)模光電集成芯片。

 

IBM、英特爾、臺積電、格羅方德、思科、Acacia等多家大型公司已經(jīng)對硅基光電子芯片進行了商業(yè)化的批量生產(chǎn)，而且以硅基光電子芯片為核心的光模塊也在數(shù)據(jù)中心和通信系統(tǒng)中獲得了大量應用，硅基光電子產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成。

 

硅基光電子芯片可以在算力、能耗、成本、尺寸方面帶來極大的優(yōu)勢。人們預期，它不僅可以支撐大數(shù)據(jù)時代的通信設備、數(shù)據(jù)中心、超級計算、物聯(lián)傳感、人工智能等產(chǎn)業(yè)，更有可能在不久的將來進入消費市場。

 

3如何不再 “芯” 痛？

 

人們對電子、光子的了解，對由此產(chǎn)生的技術時代的更迭，導致了信息社會的出現(xiàn)及發(fā)展。而信息社會對小巧、廉價、低能耗器件和系統(tǒng)的偏愛催生了各種各樣的半導體芯片。

 

最早出現(xiàn)的電子芯片，或者說，集成電路得益于硅材料和CMOS器件的完美結(jié)合，具有尺寸小，成本低，集成度高的優(yōu)點，目前已經(jīng)是全球經(jīng)濟不可分割的一部分，也已經(jīng)成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展速度也飽和趨緩。

 

光子芯片利用光子作為信息載體。由于光子之間的相互作用非常微弱，無法形成低成本、低能耗的功能器件，也就無法形成自己的產(chǎn)業(yè)。

 

光電子芯片注重光子與電子之間的相互作用，擁有多通道，大帶寬，高速率的特點，是支撐高速通信的關鍵技術。但由于是在砷化鎵、磷化銦材料上制作，因此，很難做到低成本和高集成度。

 

硅基光電子芯片是目前半導體芯片發(fā)展的最高級階段。是將上述三種芯片中的基本元素在硅襯底上異質(zhì)集成而獲得的一款大規(guī)模光電集成芯片。被公認為是后摩爾時代的核心技術，大數(shù)據(jù)時代的基石。

 

作為宇宙萬物中的一員，芯片也是遵循著自然規(guī)律、分階段、循序漸進地形成和發(fā)展的。特別地，芯片乃人智精氣之匯聚，是人們對前沿科學技術進行長期研究與開發(fā)而凝練出來的一件藝術品，不是利用大量的金錢就能在短時間內(nèi)獲得的低門欄產(chǎn)品。

 

特定階段的芯片都會扮演特定的角色，都有它的優(yōu)點和不足。

 

在當今這個以大數(shù)據(jù)、人工智能為特點的信息社會，單純的電子芯片/集成電路已經(jīng)不能夠滿足在數(shù)據(jù)傳輸和處理方面的需要，更不能帶來更上一層樓的時代更迭。

 

單純地強調(diào)光子的多路傳輸特點、光子芯片的概念，不僅不會做大光子產(chǎn)業(yè)，還有可能把 “強化國家戰(zhàn)略科技力量” 的努力引入歧途。

 

脫離電子芯片的基礎，忽略光子與電子之間的相互作用，而把硅基光電子芯片當作光子芯片來研究，那是想要建造空中樓閣；而沒有一定的電子芯片制造條件和產(chǎn)業(yè)積累，那也是造不出先進的硅基光電子芯片的。

 

硅基光電子芯片是建立在電子芯片的基礎上的。它不僅可以替代部分的高端集成電路，而且可以開辟一些新的應用領域，正在形成一個比集成電路產(chǎn)業(yè)更大的硅基光電子產(chǎn)業(yè)。

 

唯有真正了解芯片，了解芯片的發(fā)展過程，了解芯片發(fā)展的不同階段，從基礎創(chuàng)新、人才培養(yǎng)、到產(chǎn)業(yè)布局，都尊重芯片發(fā)展的自然規(guī)律，依靠扎扎實實地耕耘和適當?shù)馁Y源配置，才能高效率地獲得核心芯片，不再 “芯” 痛。

 

2020.12.22 于北京中關園

 

本文由知識分子和中國激光微信公眾號聯(lián)合發(fā)布。

 

“作者簡介

 

 

周治平，喬治亞理工學院博士，北京大學教授。OSA Fellow, SPIE Fellow, IET Fellow；中國光學學會榮譽理事，中國光學工程學會常務理事；Photonics Research創(chuàng)刊主編。親身參與、見證了中國微電子產(chǎn)業(yè)的早期發(fā)展、中期努力、以及目前的缺“芯”之痛；深入研究過光電子技術在加工、娛樂、傳感、通信、計算、人工智能等領域的應用；針對微納光電子集成技術，發(fā)表論文、書籍章節(jié)、專利、特邀報告600余篇/次，指導中外學生逾百名。編著國內(nèi)第一本《硅基光電子學》，定義它為利用硅基集成電路工藝和方法，將光子、電子、及光電子器件大規(guī)模異質(zhì)集成在同一硅基芯片上的一項嶄新技術，是將光子學、電子學、光電子學、通信技術統(tǒng)一在硅襯底上的一門交叉學科。

 

來源：知識分子微信號