經(jīng)過50年的努力，研究人員制造了硅發(fā)光二極管

陳珂

大約50年前，英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾預(yù)測，計算機芯片中封裝的晶體管數(shù)量每兩年就會翻一番，即摩爾定律。英特爾在1970年代初發(fā)布第一個微處理器時，它的晶體管剛好超過2000個。如今，iPhone中的處理器已達數(shù)十億，摩爾定律也不靈了。

充當(dāng)計算機芯片的晶體管已經(jīng)足夠小，如果更密集可能會導(dǎo)致各種問題：過熱和奇怪的量子效應(yīng)。硅是計算機芯片中的主要材料，它的發(fā)光性能很差。我們正在接近電子計算機芯片的速度極限。如果想走得更快，需要攜帶數(shù)據(jù)的光子以及一些微型激光器，解決方案是用光連接代替某些電子電路，在芯片周圍傳輸數(shù)據(jù)。

摩爾定律失效之后

摩爾定律過去是每 5 年增長 10 倍，每 10 年增長 100 倍。而如今，摩爾定律每年只能增長幾個百分點，每 10 年可能只有 2 倍。因此，摩爾定律結(jié)束了。 信息技術(shù)對中央處理器（CPU）的依賴已轉(zhuǎn)向于圖形處理器（GPU）。要推動應(yīng)用程序運行提速不可只依賴于芯片，還需要重新設(shè)計整個堆棧、算法、軟件和處理器。

有業(yè)內(nèi)人士擔(dān)心，如果摩爾定律失效，半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展放緩將影響整個科技行業(yè)推進。而硅谷創(chuàng)業(yè)教父史蒂夫·布蘭克曾撰文指出，摩爾定律其實在十年前就已經(jīng)失效，只是消費者沒有意識到。

技術(shù)在進步，4月上旬，由荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)物理學(xué)家埃里克·巴克斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細介紹了他們?nèi)绾沃圃炝丝砂l(fā)光的硅合金納米線。幾十年來，物理學(xué)家一直在努力解決這個問題——開發(fā)計算機芯片中的微型硅激光器。在常規(guī)電子芯片上集成光子電路，能夠在不提高芯片溫度的情況下加快數(shù)據(jù)傳輸速度并降低能耗，這可能使其特別適用于機器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用。

“能夠證明由硅混合物制成的納米線發(fā)出的光是一項重大突破，因為這些材料與計算機芯片行業(yè)中使用的制造工藝兼容，”微光子學(xué)小組負(fù)責(zé)人帕斯卡·德爾海耶說，“將來這可能使結(jié)合光電路和電子電路的微芯片生產(chǎn)成為可能。”

光子電路進行時

談到讓硅能產(chǎn)生光子，這與結(jié)構(gòu)有關(guān)：普通的計算機芯片建立在稱為晶圓的硅薄層上，硅是計算機芯片的理想介質(zhì)，因為半導(dǎo)體僅在特定條件下導(dǎo)電。

在晶片內(nèi)，硅原子排列為立方晶格，允許電子在某些電壓條件下在晶格內(nèi)移動，但不允許光子進行類似的運動，所以光不能輕易地穿過硅。物理學(xué)家假設(shè)改變硅晶格的形狀，使其由重復(fù)的六邊形而不是立方體組成，允許光子通過材料傳播。實際上創(chuàng)建這個六邊形晶格被證明是極具挑戰(zhàn)性的，因為硅想要以最穩(wěn)定的立方體形式結(jié)晶，人們嘗試制造六角形硅已有40年，但沒有成功。

巴克斯及其同事一直致力于創(chuàng)建六角形的硅晶格已有十年之久，他們的解決方案的一部分涉及使用由砷化鎵制成的納米線作為支架，生成具有六邊形結(jié)構(gòu)的硅鍺合金制成的納米線。“在硅中添加鍺對于調(diào)節(jié)光的波長和材料的其他光學(xué)特性很重要，花費的時間比我預(yù)期的要長。” 巴克斯說。

為了測試硅合金納米線是否發(fā)光，研發(fā)團隊用紅外激光對它們進行了“轟炸”，并測量了從另一側(cè)發(fā)出的紅外光的數(shù)量，結(jié)果檢測到了從納米線發(fā)出的能量，這表明硅納米線在傳輸光子方面非常有效。

光計算的未來

接下來研究團隊準(zhǔn)備制造由硅合金制成的微型激光器，困難在于如何將激光器與常規(guī)電子計算機芯片集成在一起。在未來的微處理器之類的組件內(nèi)，使用電子晶體管仍然是主流，但是對于長距離（例如計算機的CPU與內(nèi)存之間或小的晶體管之間），使用光子而不是電子可以提高計算速度，同時減少能耗并從系統(tǒng)中散熱。電子串行傳輸數(shù)據(jù)，一個電子需要依次傳輸數(shù)據(jù)，而光信號則可以在物理上盡可能快的速度（光速）一次在多個通道上傳輸數(shù)據(jù)。

由于光子電路可以快速地在計算機芯片周圍重新整理大量數(shù)據(jù)，因此它們很可能在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中得到廣泛使用。例如，它們可能是自動駕駛汽車中計算機的福音，后者必須實時處理來自車載傳感器的大量數(shù)據(jù)。光子芯片也可能具有更多的普通應(yīng)用。由于它們產(chǎn)生的熱量不如電子芯片多，因此數(shù)據(jù)中心不需要那么多的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施，這可以幫助減少大量的能源消耗。

研究人員和公司已經(jīng)設(shè)法將激光集成到簡單的電子電路中，但是該過程過于復(fù)雜且昂貴，無法大規(guī)模實施，因此該設(shè)備僅具有小眾應(yīng)用。研究人員在論文中寫道：“該演示可能代表著芯片級電子光子系統(tǒng)時代的開始，具有改變計算系統(tǒng)架構(gòu)，啟用更強大計算機（從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施到數(shù)據(jù)中心和超級計算機）的潛力。”無論如何，科學(xué)家們朝著實用的光計算又邁出了重要的一步。