硅基光電“芯”發展

徐凌波　李東升

當你把玩著輕巧的智能手機或是平板電腦時，你可曾想到計算機芯片經歷了脫胎換骨的改變。從1958年第一個僅包含一個晶體管、三個電阻和一個電容的集成電路問世，到如今動輒包含10億個晶體管的處理器芯片，短短50多年時間，芯片研發和制造產業飛速發展。1965年，英特爾創始人之一戈登·摩爾曾大膽預言：單位面積芯片上的晶體管數量每年能實現翻番。時至今日，摩爾定律已有半個世紀的高齡，它猶如一只無形的大手，推動著整個集成電路產業向前發展，計算機外形在變小，性能逐步提高，價格也進一步走低。然而，就在各類微型電子產品層出不窮的背景下，集成電路發展的腳步卻已悄悄放緩，摩爾定律預言的神話面臨著前所未有的危機。

反方 短路和發熱

集成電路是利用半導體、電阻和電容等元件及導線在一小塊硅片上搭建起的微型電路，它是電子社會的基石，同時也是芯片制造產業的基礎。伴隨著科技水平的發展，集成電路中所用元件的尺寸越來越小，但集成度的提升也會使絕緣材料的厚度減小，致使絕緣能力下降。科學研究發現：當絕緣層的厚度低于5nm時，芯片上的集成電路間就會發生短路。

除了電路短路問題，在集成度提升的同時，用于連接各種元件的導線也越來越多，芯片電阻的增大使芯片發熱成了另一個棘手的問題。即便是功能相對單一的手機芯片，后臺運行任務過多也可能使其成為“冬日暖手寶”，英偉達公司的Tegra芯片就因其發熱問題嚴重而被戲謔為“核彈”。高溫發熱儼然已經成為了制約集成電路發展的又一大攔路虎。

正方 硅基光電集成技術

傳統電子計算機中，電子是信息傳輸的載體，而在科幻小說中則早已出現了“光腦”的暢想。“光腦”就是光子計算機，利用光信號進行數字運算、邏輯操作、信息傳輸與存儲，運算效率遠超電子計算機。與電子相比，光子的傳輸速度要大得多，并且光信號之間不會相互干擾，可以做到千萬條光束同時穿越一個光學元件而不相互影響。此外，光傳輸、轉換過程中的能量消耗極少，這能有效避免高溫產生。然而現實總是殘酷的，科學家很快就發現制造納米級的光學透鏡是如此困難，想在小小的芯片上集成數十億的透鏡更是遠超現有的技術水平。幸而科學家們沒有放棄將光引入芯片世界的努力，并提出了一種行之有效的折中方案——光電子計算機。在光電子計算機中，數字運算、邏輯操作還是通過電信號來完成，信息的傳輸則由光信號完成。雖然在現有的電子芯片上集成光電轉換模塊和光信號傳輸通道，比制備全新的光子芯片難度降低了很多，但把這些元件縮小到納米尺度也絕非易事。

此后，經過科學家不斷的努力和嘗試，硅基光電集成技術應運而生，它利用集成電路的制造工藝，在硅片上引入各種轉化和傳遞光信號的微型光學元件。集成電路制造工藝成熟先進、價格低廉；光學元件則傳輸速率高、抗干擾性好，硅基光電集成技術實現了二者之間巧妙的結合。這正如在遠距離通信中，傳輸光信號的光纖取代了傳遞電信號的銅絞線使得信息交換速率快速提升，硅基光電集成技術可以極大提升芯片間及芯片內的數據傳輸速率，進一步釋放集成電路的潛能。美國和歐盟等發達國家已設立專項資金對硅基光電集成技術進行研發，我國也在“973計劃”中明確了相關內容的研究。

光子新時代

在硅基光電集成技術的發展中，英特爾公司是當之無愧的先驅。早在20世紀90年代中期，英特爾公司就開始了硅基光電集成技術的研發，并相繼研發出了混合硅激光器、硅基光電雪崩探測器等各種光學元件。2010年，英特爾公司首次實現了兩個硅基光電芯片間高達50GB每秒的數據傳輸速率。同年，IBM公司則采用標準的集成電路制造工藝在硅芯片內整合了多種不同的光學元件和電子電路。種種跡象表明硅基光電芯片不再局限于科研領域，而轉換進入商業化領域。

盡管硅基光電集成技術飛速發展，但由于硅材料本身的發光效率極低，這也制約了其大規模應用。一旦硅基光源的研究得以突破，硅基光電集成的產業化發展必將會有新的突破。到那時，數據的傳輸速率將高達上百GB每秒，只要幾秒鐘就能下載整部電影，也可以流暢地在線觀看各種高清視頻及3D全息影像。依賴高傳輸速率，本地設備的結構和功能也可以大大簡化，大部分的資源存儲、處理都可以在網絡云端完成，需要使用時再發回本地設備。可以想象，我們的電腦將會變得更輕、更薄，待機時間也會大大延長。

硅基光電集成技術的曙光已經出現，相信在科學技術的推動下，集成電路發展必將推動人類進入全新的“光子時代”。