芯東西（公眾號：aichip001）
編譯 | ?高歌
編輯 |? 溫淑
芯東西4月19日報道，上周日，電路和(he)計算機系統專家杰(jie)克·赫茲（Jake Hertz）撰文稱，隨著(zhu)芯片(pian)制程的逐步(bu)縮小，摩爾定律正(zheng)在(zai)遇到天花(hua)板，其中(zhong)芯片(pian)互連是(shi)目前的技術瓶頸(jing)之(zhi)一，硅(gui)光(guang)子學(xue)則有(you)可能解決這一問題。杰(jie)克·赫茲主要分(fen)享了IMEC登上《自然·光(guang)子學(xue)》的研究項(xiang)目和(he)英特(te)爾的硅(gui)光(guang)子學(xue)器件研究成果。
硅光子學(xue)是基(ji)于(yu)硅芯(xin)片的光子學(xue)技術，通過光波導傳輸(shu)數據，而非傳統集(ji)成電路中用銅互連線傳輸(shu)電信號，能夠(gou)實現(xian)更高(gao)的數據速率，也不存在(zai)電磁干擾問(wen)題，可以(yi)降低芯(xin)片功耗。
一、互連正在成為芯片性能瓶頸
當前(qian)集成電路有兩個發展趨勢：芯片(pian)制程正(zheng)變(bian)得越(yue)來越(yue)小(xiao)，芯片(pian)面(mian)積變(bian)得越(yue)來越(yue)大。由于(yu)制程變(bian)小(xiao)，互連線的(de)寬度(du)和厚(hou)度(du)都在(zai)減小(xiao)；而芯片(pian)面(mian)積的(de)增加使得互連線也在(zai)變(bian)長。
互(hu)連(lian)線就相當于IC內(nei)部的(de)街(jie)道和高(gao)速(su)公路(lu)，可將(jiang)集成電路(lu)的(de)各(ge)個元件連(lian)接起來，并與外界進行互(hu)動交(jiao)流。互(hu)連(lian)層是芯片制造工藝中(zhong)最(zui)密集、成本最(zui)容易受(shou)影響的(de)部分。
此外，因為芯片(pian)互連(lian)層(ceng)的增(zeng)加，使得(de)各個(ge)互連(lian)層(ceng)之間(jian)的距(ju)離逐(zhu)漸變小。這導(dao)致(zhi)互連(lian)阻抗大幅增(zeng)加，令互連(lian)層(ceng)成為芯片(pian)延遲和功耗的最大輸(shu)出來源之一。
▲互連正在成為(wei)IC設(she)計(ji)的瓶頸（來源(yuan)：Tomasz Grzela）
二、IMEC：研發100倍靈敏度光機械超聲探測器
除了英(ying)特爾之外，來(lai)自比利時微電子(zi)研究中心的(de)一組研究人員也(ye)認(ren)為硅(gui)光子(zi)學(xue)具有重(zhong)要的(de)研究價值。
Wouter Westerveld領導的研(yan)究(jiu)小組開(kai)發出一種集成在硅光子(zi)芯片上(shang)的高(gao)靈敏(min)度光機械超聲探測器（OMUS），該設備的靈敏(min)度比相同尺寸的壓電探測器高(gao)100倍，這項研(yan)究(jiu)登上(shang)了頂(ding)級學術期(qi)刊《自然·光子(zi)學》。
論(lun)文(wen)鏈(lian)接：//www.nature.com/articles/s41566-021-00776-0
傳(chuan)統的(de)(de)(de)超聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感器使用壓(ya)電器件陣列，其壓(ya)電器件依(yi)賴于特(te)定超聲(sheng)波(bo)頻率(lv)下的(de)(de)(de)機械共(gong)振，會受到許多(duo)因(yin)素(su)的(de)(de)(de)限(xian)制。例如，壓(ya)電器件越(yue)小，其靈敏度(du)就越(yue)低(di)，難以(yi)構建大型陣列。
而IMEC的(de)研究人(ren)員提出了一(yi)種新的(de)方(fang)法(fa)，即(ji)使用“裂肋(lei)(lei)式”硅光(guang)子(zi)波導（Split-rib waveguide）。他(ta)們(men)通過(guo)像肋(lei)(lei)骨一(yi)樣的(de)光(guang)子(zi)波導環(huan)形依(yi)附在薄膜上，充當光(guang)子(zi)諧(xie)振器，之(zhi)后(hou)再對整個(ge)薄膜施加(jia)一(yi)個(ge)強電場(chang)。
▲光(guang)機械(xie)超聲(sheng)探測器(qi)示意圖(tu)（來源：《自然·光(guang)子(zi)學》）
這樣，當超聲波(bo)使薄膜(mo)稍微變(bian)形時(shi)(shi)，電場(chang)就(jiu)會在(zai)波(bo)導(dao)的折射率中發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，從而該改變(bian)環(huan)形肋的共振波(bo)長。研究人員通過可調諧激光器(qi)實時(shi)(shi)讀取(qu)波(bo)長，根據波(bo)長改變(bian)化(hua)得到精(jing)準的探測結果。
這項技術(shu)使(shi)得(de)大型OMUS陣列可(ke)以集成到硅光子芯(xin)片上，憑借(jie)其特(te)性(xing)可(ke)以適用(yong)于X線檢查和腫瘤(liu)檢測等生物(wu)醫學應(ying)用(yong)。
三、英特爾：光互連六大技術要素齊備
許(xu)多人認為，解決(jue)這些問題的(de)方(fang)法是(shi)硅(gui)光(guang)(guang)子學(xue)。去年12月4日，在英(ying)特爾(er)(er)研(yan)究(jiu)院開放日上，英(ying)特爾(er)(er)首席(xi)工程師、英(ying)特爾(er)(er)研(yan)究(jiu)院PHY研(yan)究(jiu)實驗室(shi)主任James Jaussi分享(xiang)了(le)英(ying)特爾(er)(er)在集成光(guang)(guang)點領(ling)域的(de)最新(xin)進(jin)展。
James指(zhi)出，電(dian)氣(qi)互(hu)連面臨兩大限制，一是電(dian)氣(qi)互(hu)連逐漸(jian)逼近物理極限，高能效(xiao)電(dian)路設計存在諸多限制；二(er)是I/O功(gong)耗墻的(de)限制，即I/O功(gong)耗會(hui)逐漸(jian)高于現(xian)有的(de)插(cha)接電(dian)源，導(dao)致電(dian)氣(qi)性能擴展跟(gen)不上(shang)帶寬需(xu)求的(de)增長速度(du)。
他(ta)提(ti)到(dao)，通過硅光子學技術(shu)，英特爾解(jie)決了(le)電(dian)氣I/O（輸入(ru)/輸出）的限制，實現了(le)在光互連(lian)領域的關鍵進展。
光互連技術涉及六大(da)技術要素，分別是：光產(chan)生(sheng)、光放大(da)、光檢測、光調制、CMOS接口電路和封裝(zhuang)集(ji)成。此(ci)前，英特爾在混合激光器(qi)的光產(chan)生(sheng)領域實現創新。活動(dong)上，James展示了英特爾在其(qi)他(ta)五(wu)大(da)技術構建(jian)模塊上的進展。
分別是微(wei)型環調制(zhi)器(qi)（micro-ring modulators）、全硅光電檢(jian)測器(qi)（all silicon photo detector）、集成(cheng)半導體光學放大器(qi)、集成(cheng)多波長激(ji)光器(qi)（Integrated multi-wavelength lasers）和硅光子(zi)與CMOS芯(xin)片集成(cheng)的封裝技術。
▲英特(te)爾微型環調制(zhi)器宣傳(chuan)圖（來源：英特(te)爾）
根據(ju)英(ying)特爾官網消息(xi)，其(qi)微型環調(diao)制器(qi)縮小到了傳統芯(xin)片調(diao)制器(qi)尺寸的1/1000。據(ju)其(qi)介紹，英(ying)特爾還是(shi)唯一一家(jia)在CMOS芯(xin)片單一平臺上將多波(bo)長激光(guang)器(qi)、半導體光(guang)學放大器(qi)、全(quan)硅光(guang)電(dian)檢測器(qi)以及微型環調(diao)制器(qi)集(ji)成(cheng)到一起的公(gong)司。
四、硅光子學技術仍處研究階段
盡管硅光子(zi)學有很(hen)大的前景，但是該(gai)技術也(ye)面(mian)臨很(hen)多挑(tiao)戰(zhan)：
1、由于(yu)硅具有非直(zhi)接帶隙(xi)，因(yin)此發光(guang)效率很低。基于(yu)硅的(de)激(ji)光(guang)器(qi)或(huo)放大(da)器(qi)不能(neng)與其它(ta)基于(yu)GaAs或(huo)者InP的(de)激(ji)光(guang)器(qi)或(huo)放大(da)器(qi)相媲美；
2、硅的(de)帶隙也(ye)較大，無法探測波(bo)長接近1300nm、1500nm波(bo)長的(de)光；
3、硅具(ju)有二(er)階非線性，因此(ci)無法(fa)制作電光調(diao)制器；
4、芯(xin)片上的激光(guang)(guang)光(guang)(guang)源很難進行散熱；
5、光學連接器(qi)精(jing)度要求較高(gao)，難以在量產中實現(xian)。
所以目前(qian)為止，這項技術主要局限于研究。但是硅光子學很符(fu)合數據中心等高傳(chuan)輸速率、低能耗應用的需求(qiu)，將(jiang)會受(shou)市場持續推動(dong)。
結語：硅光子學或可解決互連瓶頸
硅(gui)(gui)光子(zi)學(xue)在工(gong)業、軍事、經(jing)(jing)濟等(deng)各個領域(yu)內都有廣泛的(de)(de)應(ying)用，更是光網(wang)絡(luo)通信與光子(zi)計算(suan)等(deng)技(ji)術的(de)(de)基礎。鑒于(yu)目前傳統半導體電路面臨(lin)的(de)(de)挑戰(zhan)，硅(gui)(gui)光子(zi)學(xue)技(ji)術已(yi)經(jing)(jing)受到了越來越多(duo)的(de)(de)關注。其高速(su)傳輸能(neng)(neng)力和(he)低能(neng)(neng)耗(hao)或許可以解決當前芯(xin)片中的(de)(de)互連瓶頸，推(tui)動(dong)芯(xin)片技(ji)術進一(yi)步(bu)發展。
不過，構(gou)建實用(yong)的硅光(guang)(guang)子(zi)學(xue)(xue)(xue)設備仍需(xu)要(yao)材料科(ke)學(xue)(xue)(xue)、光(guang)(guang)子(zi)學(xue)(xue)(xue)、電子(zi)學(xue)(xue)(xue)等領域(yu)的研究(jiu)人員之間的廣(guang)泛跨學(xue)(xue)(xue)科(ke)努(nu)力和合(he)作(zuo)。
來源：All About Circuits、英(ying)特爾(er)、《自然·光子(zi)學(xue)》
