上周日，電路和計(jì)算機(jī)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(shù)瓶頸之一，硅光子學(xué)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(xué)》的研究項(xiàng)目和英特爾的硅光子學(xué)器件研究成果。

硅光子學(xué)是基于硅芯片的光子學(xué)技術(shù)，通過光波導(dǎo)傳輸數(shù)據(jù)，而非傳統(tǒng)集成電路中用銅互連線傳輸電信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)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(dāng)前集成電路有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：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小；而芯片面積的增加使得互連線也在變長(zhǎng)。

互連線就相當(dāng)于IC內(nèi)部的街道和高速公路，可將集成電路的各個(gè)元件連接起來，并與外界進(jìn)行互動(dòng)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?yàn)樾酒ミB層的增加，使得各個(gè)互連層之間的距離逐漸變小。這導(dǎo)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(shè)計(jì)的瓶頸（來源：Tomasz Grzela）

二、IMEC：研發(fā)100倍靈敏度光機(jī)械超聲探測(cè)器

除了英特爾之外，來自比利時(shí)微電子研究中心的一組研究人員也認(rèn)為硅光子學(xué)具有重要的研究?jī)r(jià)值。

Wouter Westerveld領(lǐng)導(dǎo)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(jī)械超聲探測(cè)器（OMUS），該設(shè)備的靈敏度比相同尺寸的壓電探測(cè)器高100倍，這項(xiàng)研究登上了頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》。

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(jī)械共振，會(huì)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(gòu)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(dǎo)（Split-rib waveguide）。他們通過像肋骨一樣的光子波導(dǎo)環(huán)形依附在薄膜上，充當(dāng)光子諧振器，之后再對(duì)整個(gè)薄膜施加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)。

▲光機(jī)械超聲探測(cè)器示意圖（來源：《自然·光子學(xué)》）

這樣，當(dāng)超聲波使薄膜稍微變形時(shí)，電場(chǎng)就會(huì)在波導(dǎo)的折射率中發(fā)生變化，從而該改變環(huán)形肋的共振波長(zhǎng)。研究人員通過可調(diào)諧激光器實(shí)時(shí)讀取波長(zhǎng)，根據(jù)波長(zhǎng)改變化得到精準(zhǔn)的探測(cè)結(jié)果。

這項(xiàng)技術(shù)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(cè)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

三、英特爾：光互連六大技術(shù)要素齊備

許多人認(rèn)為，解決這些問題的方法是硅光子學(xué)。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(shí)驗(yàn)室主任James Jaussi分享了英特爾在集成光點(diǎn)領(lǐng)域的最新進(jìn)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(shè)計(jì)存在諸多限制；二是I/O功耗墻的限制，即I/O功耗會(huì)逐漸高于現(xiàn)有的插接電源，導(dǎo)致電氣性能擴(kuò)展跟不上帶寬需求的增長(zhǎng)速度。

他提到，通過硅光子學(xué)技術(shù)，英特爾解決了電氣I/O（輸入/輸出）的限制，實(shí)現(xiàn)了在光互連領(lǐng)域的關(guān)鍵進(jìn)展。

光互連技術(shù)涉及六大技術(shù)要素，分別是：光產(chǎn)生、光放大、光檢測(cè)、光調(diào)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(chǎn)生領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新。活動(dòng)上，James展示了英特爾在其他五大技術(shù)構(gòu)建模塊上的進(jìn)展。

分別是微型環(huán)調(diào)制器（micro-ring modulators）、全硅光電檢測(cè)器（all silicon photo detector）、集成半導(dǎo)體光學(xué)放大器、集成多波長(zhǎng)激光器（Integrated multi-wavelength lasers）和硅光子與CMOS芯片集成的封裝技術(shù)。

根據(jù)英特爾官網(wǎng)消息，其微型環(huán)調(diào)制器縮小到了傳統(tǒng)芯片調(diào)制器尺寸的1/1000。據(jù)其介紹，英特爾還是唯一一家在CMOS芯片單一平臺(tái)上將多波長(zhǎng)激光器、半導(dǎo)體光學(xué)放大器、全硅光電檢測(cè)器以及微型環(huán)調(diào)制器集成到一起的公司。

四、硅光子學(xué)技術(shù)仍處研究階段

盡管硅光子學(xué)有很大的前景，但是該技術(shù)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。基于硅的激光器或放大器不能與其它基于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(cè)波長(zhǎng)接近1300nm、1500nm波長(zhǎng)的光；

3、硅具有二階非線性，因此無法制作電光調(diào)制器；

4、芯片上的激光光源很難進(jìn)行散熱；

5、光學(xué)連接器精度要求較高，難以在量產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)。

所以目前為止，這項(xiàng)技術(shù)主要局限于研究。但是硅光子學(xué)很符合數(shù)據(jù)中心等高傳輸速率、低能耗應(yīng)用的需求，將會(huì)受市場(chǎng)持續(xù)推動(dòng)。

結(jié)語：硅光子學(xué)或可解決互連瓶頸

硅光子學(xué)在工業(yè)、軍事、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用，更是光網(wǎng)絡(luò)通信與光子計(jì)算等技術(shù)的基礎(chǔ)。鑒于目前傳統(tǒng)半導(dǎo)體電路面臨的挑戰(zhàn)，硅光子學(xué)技術(shù)已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注。其高速傳輸能力和低能耗或許可以解決當(dāng)前芯片中的互連瓶頸，推動(dòng)芯片技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

不過，構(gòu)建實(shí)用的硅光子學(xué)設(shè)備仍需要材料科學(xué)、光子學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域的研究人員之間的廣泛跨學(xué)科努力和合作。

來源：All About Circuits、英特爾、《自然·光子學(xué)》

編輯：jq