“后摩爾時(shí)代”潛在顛覆性技術(shù)里，光芯片已進(jìn)入人|視野

研究人員將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中。當(dāng)給磷化銦施加電壓的時(shí)候，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅(qū)動(dòng)其他的硅光子器件。這種基于硅片的激光技術(shù)可使光子學(xué)更廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中，因?yàn)椴捎么笠?guī)模硅基制造技術(shù)能夠大幅度降低成本。 英特爾認(rèn)為，盡管該技術(shù)離商品化仍有很長(zhǎng)距離，但相信未來數(shù)十個(gè)、甚至數(shù)百個(gè)混合硅激光器會(huì)和其它硅光子學(xué)部件一起，被集成到單一硅基芯片上去。這是開始低成本大批量生產(chǎn)高集成度硅光子芯片的標(biāo)志。

隨著集成電路的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電子集成電路在帶寬與能耗等方面逐漸接近極限 。隨著電子電路集成度的不斷提高，金屬導(dǎo)線變得越來越細(xì)，導(dǎo)線之間的間距不斷縮小，這一方面使得導(dǎo)線的電阻和其歐姆損耗不斷增大，使得系統(tǒng)能耗不斷增加;另一方面會(huì)造成金屬導(dǎo)線間的電容增大，引起導(dǎo)線之間的串?dāng)_加大，進(jìn)而影響芯片的高頻性能 。

電子集成芯片采用電流信號(hào)來作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光子集成電路與光互連展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲、以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力 。 此外，光互聯(lián)還可以通過使用多種復(fù)用方式(例如波分復(fù)用WDM、模分互用MDM等)來提高傳輸媒質(zhì)內(nèi)的通信容量。 因此，建立在集成光路基礎(chǔ)上的片上光互聯(lián)被認(rèn)為是一種極具潛力的技術(shù)用以克服電子傳輸所帶來的瓶頸問題 。

7月11日，澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)研制出首款自校準(zhǔn)光子芯片，其能“變身”數(shù)據(jù)高速公路上的橋梁，改變當(dāng)前光學(xué)芯片之間的連接狀況，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，有望促進(jìn)人工智能和自動(dòng)駕駛汽車等領(lǐng)域的發(fā)展。最新研究發(fā)表于《自然·光子學(xué)》雜志。

光子電路能夠操縱和引導(dǎo)信息傳輸?shù)墓馔ǖ?，也可提供搜索圖案等計(jì)算能力，而模式搜索是醫(yī)療診斷、自動(dòng)駕駛車輛、互聯(lián)網(wǎng)安全等許多應(yīng)用的基礎(chǔ)。芯片的快速可靠重編程能加快搜索速度，但要做到這一點(diǎn)，非常困難且極其昂貴，最新的自校準(zhǔn)芯片則克服了這一難題。

這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將所有光學(xué)功能集成到一個(gè)可“插入”現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備上。研究團(tuán)隊(duì)提出的解決方案是：在芯片制造后對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，也就是使用集成參考路徑而非外部設(shè)備對(duì)芯片進(jìn)行校準(zhǔn)，這提供了“撥號(hào)”所需的所有設(shè)置和開關(guān)功能。

首席研究員、莫納什大學(xué)阿瑟·洛厄里教授表示：“我們展示了一種自校準(zhǔn)可編程光子濾波器芯片，自校準(zhǔn)非常重要，因?yàn)樗箍烧{(diào)諧光子集成電路廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如根據(jù)顏色調(diào)換信號(hào)的光通信系統(tǒng)、運(yùn)行速度極快的相關(guān)器、用于化學(xué)或生物分析甚至天文學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)儀器等?！?

洛厄里稱，2020年該校開發(fā)出一種新型光學(xué)微通信芯片，構(gòu)建了數(shù)據(jù)高速公路的多條通道，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)最快的網(wǎng)速。而新面世的自校準(zhǔn)芯片可成為這些數(shù)據(jù)高速公路的入口、出口匝道和橋梁，將這些通道連接起來，使更多數(shù)據(jù)能更快移動(dòng)。研究人員表示，這一最新突破有望加速人工智能的發(fā)展，并應(yīng)用于多個(gè)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，如能夠及時(shí)解讀周圍環(huán)境的更安全的無人駕駛汽車、能更快速地診斷病情的人工智能，以及更小的光子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。

據(jù)科技日?qǐng)?bào)報(bào)道，澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)研制出首款自校準(zhǔn)光子芯片，其能“變身”數(shù)據(jù)高速公路上的橋梁，改變當(dāng)前光學(xué)芯片之間的連接狀況，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｗ钚卵芯堪l(fā)表于《自然·光子學(xué)》雜志。

研究人員表示，這一最新突破有望加速人工智能的發(fā)展，并應(yīng)用于多個(gè)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，如能夠即時(shí)解讀周圍環(huán)境的更安全的無人駕駛汽車、能更快速地診斷病情的人工智，以及更小的光子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。

據(jù)悉，光子電路能夠操縱和引導(dǎo)信息的光通道，也可提供搜索圖案等計(jì)算能力，而模式搜索是醫(yī)療診斷、自動(dòng)駕駛車輛、互聯(lián)網(wǎng)安全等許多應(yīng)用的基礎(chǔ)。芯片的快速可靠重編程能加快搜索速度，但要做到這一點(diǎn)，非常困難且極其昂貴，而最新的自校準(zhǔn)芯片克服了這一難題。

曾在與電子芯片競(jìng)爭(zhēng)中落后的光子芯片，正在崛起。

近段時(shí)間以來，英特爾和英偉達(dá)投資Ayar Labs，華為入股微源光子及長(zhǎng)光華芯，格芯推出新硅光子技術(shù)，新思科技成立OpenLight公司等等，頭部大廠一系列舉動(dòng)都正在將行業(yè)目光聚焦到“光芯片”賽道。

隨著5G、AIoT、云計(jì)算等各項(xiàng)應(yīng)用的逐步落地，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心光電轉(zhuǎn)換必需的器件——光模塊迎來了爆發(fā)式增長(zhǎng)。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在多平面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的，新一代數(shù)據(jù)中心對(duì)光模塊的需求量增加了65倍。

LightCounting的預(yù)測(cè)顯示，全球光模塊的市場(chǎng)規(guī)模將在未來5年以CAGR 14%保持增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2026年達(dá)到176億美元。

其中，光芯片的性能直接決定光模塊的傳輸速率，是產(chǎn)業(yè)鏈核心之一。以光通信產(chǎn)業(yè)鏈為例，光芯片位于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，占據(jù)光模塊成本的50%以上，是整個(gè)光通訊產(chǎn)業(yè)鏈條中技術(shù)最復(fù)雜、價(jià)值最高的環(huán)節(jié)。

半個(gè)世紀(jì)以來，微電子技術(shù)大致遵循著“摩爾定律”快速發(fā)展，隨著信息技術(shù)的不斷拓寬和深入，芯片的工藝制程已減小到5nm以下，但由此帶來的串?dāng)_、發(fā)熱和高功耗問題愈發(fā)成為微電子技術(shù)難以解決的瓶頸。

同時(shí)，在現(xiàn)有馮諾依曼計(jì)算系統(tǒng)采用存儲(chǔ)和運(yùn)算分離的架構(gòu)下，存在“存儲(chǔ)墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴(yán)重制約系統(tǒng)算力和能效的提升。此外，處理器與內(nèi)存之間、處理器與處理器之間信息交互的速度嚴(yán)重滯后于處理器計(jì)算速度，訪存與I/O瓶頸導(dǎo)致處理器計(jì)算性能有時(shí)只能發(fā)揮出10%，這對(duì)計(jì)算發(fā)展形成了極大制約。

電子芯片的發(fā)展逼近摩爾定律極限，繼續(xù)在電子計(jì)算技術(shù)范式上尋求突破口步履維艱。在面向“后摩爾時(shí)代”的潛在顛覆性技術(shù)里，光芯片已進(jìn)入人們的視野。

光芯片，一般是由化合物半導(dǎo)體材料(InP和GaAs等)所制造，通過內(nèi)部能級(jí)躍遷過程伴隨的光子的產(chǎn)生和吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。

微電子芯片采用電流信號(hào)來作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光芯片展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲、以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

此外，光互聯(lián)還可以通過使用多種復(fù)用方式(例如波分復(fù)用WDM、模分互用MDM等)來提高傳輸媒質(zhì)內(nèi)的通信容量。因此，建立在集成光路基礎(chǔ)上的片上光互聯(lián)被認(rèn)為是一種極具潛力的技術(shù)，能夠有效突破傳統(tǒng)集成電路物理極限上的瓶頸。