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今年7月，由澳大利亞科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊開發(fā)了第一個自校準(zhǔn)光子芯片，可以改變數(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，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，有望促進(jìn)人工智能和自動駕駛汽車的發(fā)展。最新的研究發(fā)表在《自然》中·雜志《光子學(xué)》。

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什么是光子芯片？它和普通芯片有什么區(qū)別？有哪些優(yōu)點和技術(shù)難點？將在哪些領(lǐng)域應(yīng)用？本文將逐一回答上述問題。

光子芯片應(yīng)運而生

1959年，仙童是美國著名的半導(dǎo)體制造商（Fairchild Semiconductor）平面型集成電路首先推出，其次是1961年。這種平面制造工藝用于研磨非常平的硅片 二極管、三極管、電阻電阻、電容等半導(dǎo)體電路元件的光刻技術(shù)。只要光刻的精度不斷提高，元器件的密度就會相應(yīng)提高，從而具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼耍�平面工藝被認(rèn)為是整個半導(dǎo)體的工業(yè)鍵

1965年，英特爾(Intel)戈登是創(chuàng)始人之一·摩爾(Gordon Moore)提出摩爾定律。其內(nèi)容是：當(dāng)價格保持不變時，集成電路上可容納的部件數(shù)量每18-24個月增加一次，性能增加一次。換句話說，每美元能買到的計算機(jī)性能將每18-24個月翻一番以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

半個多世紀(jì)以來，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循摩爾定律（Moore's law）隨著軌跡的快速發(fā)展，半導(dǎo)體工藝節(jié)點已經(jīng)到來nm，借助于EUV光刻等先進(jìn)技術(shù)正在向2發(fā)展nm甚至更小的節(jié)點演變，每進(jìn)步1nm所有這些都需要付出巨大的努力，單純依靠改進(jìn)技術(shù)來提高芯片性能的方法已經(jīng)不能完全滿足時代的需要，主要體現(xiàn)在：

以電子為載體的技術(shù)發(fā)展已接近物理極限。目前，集成電路以硅為基礎(chǔ)，硅原子直徑約為0.22納米。當(dāng)工藝降至7納米以下時，容易出現(xiàn)電涌和電子突破問題，即難以完美控制電子。雖然代表世界頂級水平的臺積電仍在不斷開展3納米和2納米的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)能投資，但業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，集成電路的尺寸最多將在2030年達(dá)到物理極限，迫切需要尋找創(chuàng)新發(fā)展的出路；

2、當(dāng)電子芯片尺寸降到極致時，就會出現(xiàn)功耗墻問題。例如，巨大的能耗壓力是計算機(jī)發(fā)展的最大技術(shù)障礙之一。盡管國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界做出了巨大努力，但由于CMOS半導(dǎo)體的功耗密度已接近極限，因此必須尋找新的途徑、新的結(jié)構(gòu)、新的材料；

3、在過去的幾十年里，處理器的性能每年以55%左右的速度提高，而內(nèi)存性能的提高速度約為每年的10%。經(jīng)過長期積累，不平衡的發(fā)展速度導(dǎo)致當(dāng)前內(nèi)存訪問速度嚴(yán)重滯后于處理器的計算速度，訪問存儲瓶頸使得高性能處理器難以發(fā)揮應(yīng)有的作用；

在提高電子芯片性能的同時，性價比也在下降。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。根據(jù)SEMI采用國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會芯片主流設(shè)計成本模型圖FinFET（FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor，5納米芯片的設(shè)計成本是28納米工藝設(shè)計成本的近8倍，更為復(fù)雜GAA（Gate-all-around，結(jié)構(gòu)的設(shè)計成本只會更高，這只是芯片設(shè)計、制造、包裝、測試的設(shè)計環(huán)節(jié)。在制造過程中，研發(fā)、建廠和購買生產(chǎn)設(shè)備將花費更多資金。例如，三星計劃在德克薩斯州新建的5納米晶圓廠預(yù)計將投資170億美元。

半導(dǎo)體行業(yè)逐漸進(jìn)入后摩爾時代，高計算能力和低功耗的光子芯片應(yīng)運而生。

光子芯片和電子芯片

電子芯片通常是指含有集成電路的傳統(tǒng)芯片，體積小，通常是計算機(jī)或其他設(shè)備的一部分。它是電子設(shè)備中最重要的部分，具有完成操作、處理任務(wù)和控制存儲的功能。計算機(jī)、手機(jī)、電視和各種智能電子產(chǎn)品都與芯片不可分割。

光子芯片采用光波作為信息傳輸或數(shù)據(jù)操作的載體，是指依靠集成光學(xué)或硅光電子中介質(zhì)光波導(dǎo)（介質(zhì)裝置引導(dǎo)光波傳輸）傳輸導(dǎo)模（導(dǎo)模是指光波限制在圓柱形（光纖）向前傳輸）光信號、光信號和電信號在同一襯底或芯片上集成的技術(shù)。

電子芯片使用電流信號作為信息載體，而光子芯片使用更頻繁的光波作為信息載體。與電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)相比，光子集成電路和光互聯(lián)顯示出較低的傳輸損耗、較寬的傳輸帶寬、較小的時間延遲和較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。此外，光互聯(lián)還可以通過使用更多的方式來提高傳輸媒體中的通信容量。

從國家戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)略需求的角度來看，光子芯片可以解決數(shù)據(jù)處理時間長、實時處理、功耗高等諸多關(guān)鍵問題。例如，在長距離、高速運動目標(biāo)測距、速度測量和高分辨率成像激光雷達(dá)中，光子芯片可以發(fā)揮其高速平行、低功耗、微型化的優(yōu)勢。

此外，AI光子芯片是一種高度匹配光計算架構(gòu)和人工智能算法的芯片設(shè)計，廣泛應(yīng)用于自動駕駛、安全監(jiān)控、語音識別、圖像識別、醫(yī)學(xué)診斷、游戲、虛擬現(xiàn)實、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵人工智能領(lǐng)域。

類腦光子芯片可以模擬人腦的計算，通過光子攜帶信息在模擬大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架下處理數(shù)據(jù)，使芯片像人腦一樣高速、平行、低功耗。基于微納光子集成Kionix代理基于光學(xué)計算的光子芯片神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是應(yīng)對未來低功耗、高速、寬帶寬和大數(shù)據(jù)信息處理能力的關(guān)鍵。

挑戰(zhàn)

光子芯片是一種基于硅的激光技術(shù)。它將磷化鎵的發(fā)光屬性和硅的光路由能力集成到一個單一的混合芯片中。當(dāng)給磷化鎵施加電壓時，光進(jìn)入硅波導(dǎo)，產(chǎn)生連續(xù)的激光束，可以驅(qū)動其他硅光子設(shè)備。雖然硅光子學(xué)有很大的前景，但該技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)：

1.由于硅有非直接間隙，發(fā)光效率很低。基于硅的激光器或放大器不能與其他基于硅的激光器或放大器相匹配GaAs或InP激光器或放大器(磷化鎵)堪比；

2.硅的帶隙也很大，波長接近1300nm、1500nm波長的光；

硅具有二級非線性(二級非線性光學(xué)效應(yīng)是非線性光學(xué)晶體材料的關(guān)鍵性能)，因此無法制造電光調(diào)制器；

4.芯片上的激光光源難以散熱；

5.光學(xué)連接器精度要求高，量產(chǎn)難以實現(xiàn)。

最新的研究進(jìn)展

文章開頭提到的自校準(zhǔn)光子芯片通過快速可靠的重編程技術(shù)加快了搜索速度，搜索速度是許多應(yīng)用的重要屬性，如醫(yī)療診斷、自動駕駛車輛和互聯(lián)網(wǎng)安全。

本研究的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將所有光學(xué)功能集成到一個可以插入現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備中。研究團(tuán)隊提出的解決方案是在芯片制造后校準(zhǔn)芯片，即使用集成參考路徑而不是外部設(shè)備校準(zhǔn)芯片，這提供了撥號所需的所有設(shè)置和開關(guān)功能。

阿瑟，莫納什大學(xué)·洛厄里教授說，校準(zhǔn)可編程光子濾波器芯片，使可調(diào)光子集成電路廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如根據(jù)光通信系統(tǒng)的顏色交換信號、快速相關(guān)器（相關(guān)接收器，即利用干擾和噪聲工具的信號相關(guān)特性）、化學(xué)或生物分析甚至天文學(xué)科學(xué)儀器等。