據(jù)美國(guó)麻省理工學(xué)院網(wǎng)站2018年4月19日?qǐng)?bào)道：兩年半以前，由美國(guó)麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校和波士頓大學(xué)牽頭的一個(gè)研究小組取得了關(guān)鍵突破：在單塊芯片上利用現(xiàn)有制造工藝同時(shí)集成電子器件和光子器件，研制出可以實(shí)際工作的微處理器。
所采用的方法，是在芯片的硅材料層中同時(shí)制備電子器件與光子器件。這意味著，需要借助一種已經(jīng)久遠(yuǎn)的技術(shù)。這種技術(shù)所采用的硅材料厚度足夠，能夠滿足制造光器件的要求。
然而，根據(jù)最近一期的《自然》雜志，該研究小組取得了另一突破：實(shí)現(xiàn)了在單塊芯片上分別集成光子器件和電子器件，同時(shí)能夠利用更現(xiàn)代的CMOS晶體管技術(shù)。該成果可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝。
該成果的優(yōu)點(diǎn)在于，可以獨(dú)立對(duì)光路進(jìn)行優(yōu)化。硅基電子技術(shù)多種多樣，如果能夠向電路中添加光路，未來(lái)通信與計(jì)算芯片性能將更加強(qiáng)大。例如，微處理器制造商英特爾公司，或圖像處理器制造商英偉達(dá)公司，如果無(wú)需太多調(diào)整就能在芯片上添加光路，芯片的性能無(wú)疑將爆發(fā)式增長(zhǎng)。
從電通信向光通信轉(zhuǎn)變，能夠推動(dòng)芯片處理速度大幅提升并降低芯片功耗。隨著芯片上晶體管的數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，光通信的優(yōu)點(diǎn)將越來(lái)越突出?！懊绹?guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)”估計(jì)，如不加以應(yīng)對(duì)，按照目前計(jì)算系統(tǒng)耗電量的增長(zhǎng)速度，2040年全球計(jì)算系統(tǒng)所需的電量將超過(guò)全球發(fā)電能力。
光學(xué)器件或光子器件，和電子器件在同一芯片上集成，能夠大幅降低耗電功率。光通信器件目前已經(jīng)在售，但是現(xiàn)有光器件消耗的能量過(guò)多，難以應(yīng)用到微處理器等電子芯片中去。將數(shù)字化信息轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的商業(yè)調(diào)制器芯片，其耗電功率是新芯片的10倍～100倍。
新芯片也能比舊芯片節(jié)省10～20倍的片上空間。因?yàn)椋谕恍酒霞呻娐泛凸饴?，能夠采用更有空間效率的設(shè)計(jì)方法。
研究人員還研制了光路和電路的混合架構(gòu)，這在無(wú)法集成電路部分的情況下則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。例如，市場(chǎng)上沒(méi)有采用光諧振器的商業(yè)化光收發(fā)器，因?yàn)殚L(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法在同一芯片上實(shí)現(xiàn)電路和光路混合集成，利用電路對(duì)光諧振器進(jìn)行穩(wěn)定和控制。
新的光電芯片除了計(jì)算功能部分包含的數(shù)百萬(wàn)的晶體管，還集成了調(diào)制器、波導(dǎo)、諧振器(用于將攜載不同數(shù)據(jù)的各種波長(zhǎng)的光分開(kāi))等光通信器件。
硅材料是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片的基礎(chǔ)。光器件則需要在二氧化硅(玻璃)上制造。利用硅材料和二氧化硅兩種材料折射率的不同，可以將光限制在硅光器件內(nèi)。
早期的集成光路技術(shù)，需要采用芯片鍵合工藝，即在單塊芯片上，通過(guò)熔融方式將硅晶片與帶有二氧化硅淀積層的晶片結(jié)合。新突破則支持在硅晶片上直接淀積各種厚度的二氧化硅，再在二氧化硅上淀積由多種微小晶粒構(gòu)成的多晶硅材料。
單晶硅具有確定的電效率和光效率，但多晶硅可以在電效率和光效率之間進(jìn)行權(quán)衡調(diào)整。晶粒大的多晶硅材料對(duì)電流傳導(dǎo)效率高，但導(dǎo)光性差;晶粒小的多晶硅對(duì)光散射小，但導(dǎo)電性差。
該研究利用了紐約州立大學(xué)阿爾巴尼分校的納米級(jí)科學(xué)和工程制造設(shè)施。研究人員試驗(yàn)了多種多晶硅材料、硅材料的不同利用方式、各種加工溫度和時(shí)間，最終找到了在電子和光子性能之間能夠做出較好權(quán)衡的一組參數(shù)。
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