芯东西（公众号：aichip001）
编译 | 高歌
编辑 | 温淑
芯东西(xi)4月19日报(bao)道，上周日，电路(lu)和(he)(he)计(ji)算机系统专家杰克·赫(he)兹（Jake Hertz）撰文称(cheng)，随(sui)着芯片制程(cheng)的(de)逐步缩(suo)小，摩(mo)尔定(ding)律正在遇到天(tian)花(hua)板，其(qi)中芯片互连是目前的(de)技术瓶颈(jing)之一，硅光子(zi)学(xue)则(ze)有可能解决这(zhei)一问题。杰克·赫(he)兹主要分享(xiang)了IMEC登上《自(zi)然·光子(zi)学(xue)》的(de)研(yan)究(jiu)项目和(he)(he)英(ying)特尔的(de)硅光子(zi)学(xue)器件研(yan)究(jiu)成果。
硅光子学是(shi)基于硅芯片的光子学技术，通过光波导传输(shu)数据，而非传统集成电路中用铜互(hu)连线(xian)传输(shu)电信号，能够(gou)实现更高的数据速率，也不存在电磁(ci)干扰问题，可以降(jiang)低芯片功耗。
一、互连正在成为芯片性能瓶颈
当前集(ji)成电(dian)路有(you)两个(ge)发展趋势：芯片制(zhi)程正变得(de)越来越小，芯片面积变得(de)越来越大。由于制(zhi)程变小，互连(lian)线的宽度和厚度都在减小；而芯片面积的增加使(shi)得(de)互连(lian)线也在变长。
互连(lian)线就(jiu)相当于IC内部的街道(dao)和高速公路，可(ke)将集成电(dian)路的各个元件连(lian)接起来，并与外界进行互动(dong)交流。互连(lian)层(ceng)是芯片(pian)制造工艺(yi)中最(zui)密集、成本(ben)最(zui)容易(yi)受影响的部分。
此外(wai)，因为芯片(pian)互(hu)连(lian)(lian)层的增(zeng)加(jia)，使得各个互(hu)连(lian)(lian)层之间的距离(li)逐(zhu)渐变小。这导致互(hu)连(lian)(lian)阻抗大(da)幅(fu)增(zeng)加(jia)，令互(hu)连(lian)(lian)层成为芯片(pian)延迟和功耗的最(zui)大(da)输出(chu)来源之一(yi)。
▲互(hu)连正在成为IC设计的瓶颈（来源：Tomasz Grzela）
二、IMEC：研发100倍灵敏度光机械超声探测器
除了英(ying)特尔之外(wai)，来自比利时微电子研(yan)究(jiu)中心的一组研(yan)究(jiu)人(ren)员也认为硅光子学具有(you)重要的研(yan)究(jiu)价值。
Wouter Westerveld领导的研(yan)究(jiu)小(xiao)组开发(fa)出(chu)一种集成(cheng)在(zai)硅(gui)光(guang)(guang)子芯片上的高灵(ling)敏度(du)光(guang)(guang)机(ji)械超声探(tan)测(ce)器（OMUS），该设备的灵(ling)敏度(du)比相同尺寸的压(ya)电探(tan)测(ce)器高100倍，这(zhei)项研(yan)究(jiu)登(deng)上了顶(ding)级学术(shu)期刊《自然·光(guang)(guang)子学》。
论文链接：//www.nature.com/articles/s41566-021-00776-0
传统的(de)超声波传感器(qi)使用压(ya)电(dian)器(qi)件阵(zhen)列(lie)，其(qi)压(ya)电(dian)器(qi)件依赖于特(te)定(ding)超声波频率下的(de)机械共振(zhen)，会受到许多因(yin)素(su)的(de)限(xian)制。例(li)如，压(ya)电(dian)器(qi)件越(yue)小，其(qi)灵敏度就越(yue)低，难以构(gou)建大型阵(zhen)列(lie)。
而IMEC的(de)研究人员(yuan)提出了(le)一(yi)种(zhong)新的(de)方法，即(ji)使用“裂肋(lei)式”硅光(guang)子波导(dao)（Split-rib waveguide）。他们通过像肋(lei)骨一(yi)样(yang)的(de)光(guang)子波导(dao)环(huan)形依附(fu)在薄膜(mo)上，充当(dang)光(guang)子谐(xie)振器，之后再对整(zheng)个薄膜(mo)施加一(yi)个强(qiang)电场(chang)。
▲光(guang)机械超声探测器示意(yi)图（来源：《自然·光(guang)子学》）
这样，当超声波(bo)使薄(bo)膜稍(shao)微变(bian)形时(shi)，电场就会(hui)在波(bo)导的(de)折(zhe)射(she)率中发生(sheng)变(bian)化(hua)(hua)，从而(er)该改变(bian)环形肋(lei)的(de)共振波(bo)长(zhang)(zhang)。研究(jiu)人员通过(guo)可调谐(xie)激光器实时(shi)读取波(bo)长(zhang)(zhang)，根据波(bo)长(zhang)(zhang)改变(bian)化(hua)(hua)得到精准的(de)探测结果。
这项技术使得(de)大型OMUS阵(zhen)列可以集成(cheng)到硅光(guang)子芯片(pian)上(shang)，凭借其特性可以适用(yong)于X线检查和(he)肿瘤检测(ce)等生物(wu)医学(xue)应(ying)用(yong)。
三、英特尔：光互连六大技术要素齐备
许(xu)多人认(ren)为，解(jie)决这些问题的方法(fa)是硅光子(zi)学。去年12月(yue)4日，在(zai)英(ying)(ying)特尔研(yan)究院开放日上，英(ying)(ying)特尔首席工(gong)程师、英(ying)(ying)特尔研(yan)究院PHY研(yan)究实验室主任James Jaussi分享了(le)英(ying)(ying)特尔在(zai)集成光点领域的最新(xin)进展。
James指出，电(dian)气互(hu)连面临(lin)两大限制，一是(shi)电(dian)气互(hu)连逐渐(jian)逼近物理极限，高能(neng)效(xiao)电(dian)路(lu)设(she)计存在(zai)诸多限制；二(er)是(shi)I/O功耗墙的限制，即I/O功耗会逐渐(jian)高于现有的插接电(dian)源，导致电(dian)气性能(neng)扩展(zhan)跟(gen)不(bu)上带宽需求的增(zeng)长速度。
他提到，通(tong)过硅光(guang)子(zi)学技术，英特(te)尔解(jie)决(jue)了电气(qi)I/O（输(shu)入/输(shu)出）的限(xian)制，实(shi)现(xian)了在光(guang)互连领域的关键进(jin)展。
光(guang)(guang)互连技术涉(she)及六大技术要素(su)，分(fen)别是：光(guang)(guang)产生(sheng)、光(guang)(guang)放大、光(guang)(guang)检测、光(guang)(guang)调制、CMOS接口电路和封(feng)装集成。此前(qian)，英(ying)特尔在混合激光(guang)(guang)器(qi)的光(guang)(guang)产生(sheng)领(ling)域实现创新。活动上(shang)，James展示了英(ying)特尔在其他(ta)五大技术构建模块上(shang)的进展。
分别是微型环(huan)调制器(qi)（micro-ring modulators）、全硅(gui)(gui)光电(dian)检测器(qi)（all silicon photo detector）、集成半导体光学放大器(qi)、集成多波长激(ji)光器(qi)（Integrated multi-wavelength lasers）和(he)硅(gui)(gui)光子(zi)与CMOS芯片集成的封装(zhuang)技术(shu)。
▲英特尔微型环调制器宣(xuan)传图（来源(yuan)：英特尔）
根据英特尔官网(wang)消息，其微型环调制(zhi)器缩小到(dao)了传(chuan)统芯片(pian)调制(zhi)器尺寸的1/1000。据其介绍，英特尔还是唯一一家在(zai)CMOS芯片(pian)单一平台(tai)上将多波长(zhang)激光器、半导体光学放大器、全硅光电检(jian)测(ce)器以及微型环调制(zhi)器集成到(dao)一起的公司。
四、硅光子学技术仍处研究阶段
尽管硅光(guang)子(zi)学有很大的前景，但是该(gai)技术也面临很多挑战：
1、由于硅(gui)具有非直接带隙，因此发光效(xiao)率很(hen)低。基(ji)于硅(gui)的激光器(qi)或(huo)(huo)放(fang)大器(qi)不能与(yu)其它基(ji)于GaAs或(huo)(huo)者(zhe)InP的激光器(qi)或(huo)(huo)放(fang)大器(qi)相媲美；
2、硅(gui)的带隙也较大，无(wu)法探(tan)测波(bo)长接近1300nm、1500nm波(bo)长的光；
3、硅具(ju)有二阶非(fei)线性，因此(ci)无(wu)法制作电光调制器；
4、芯(xin)片上(shang)的激光光源很难进行散(san)热；
5、光学连接器精度要求(qiu)较(jiao)高，难(nan)以在(zai)量产中实现。
所以目前为止(zhi)，这(zhei)项技(ji)术主要局限于研究(jiu)。但(dan)是硅光(guang)子学(xue)很(hen)符合数据中(zhong)心等高(gao)传输速率、低能耗应用的需求，将会受市场(chang)持续推动。
结语：硅光子学或可解决互连瓶颈
硅(gui)光(guang)子(zi)学在工业(ye)、军事、经(jing)济(ji)等(deng)各个领域内都有广泛(fan)的应用(yong)，更是光(guang)网络通信与光(guang)子(zi)计算等(deng)技(ji)(ji)术(shu)的基础。鉴于目前传(chuan)统半导体电路面临的挑(tiao)战，硅(gui)光(guang)子(zi)学技(ji)(ji)术(shu)已(yi)经(jing)受到了(le)越来越多(duo)的关注(zhu)。其高速传(chuan)输能力(li)和低(di)能耗或许(xu)可以(yi)解决当前芯片中的互(hu)连瓶颈(jing)，推(tui)动芯片技(ji)(ji)术(shu)进一步(bu)发展。
不过，构建实(shi)用的硅光子学(xue)设备(bei)仍(reng)需要(yao)材料(liao)科学(xue)、光子学(xue)、电子学(xue)等领域的研究人员(yuan)之间的广泛跨(kua)学(xue)科努力(li)和合(he)作。
来源：All About Circuits、英特尔(er)、《自(zi)然(ran)·光子学(xue)》
