研究人员首次提出了在同一芯片上构建大量硅晶体管和光学组件的方法

研究人员采用标准的芯片制作技术将7000万个晶体管和850个光学组件集成到硅处理器上。

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计算机设计人员一直幻想在微处理器之间用光（而非电子）进行数据传输。这种光学互联可以克服电线固有的带宽瓶颈问题，并充分利用处理器速度的提升。但需要解决的难题是，如何在同一硅片上结合两种截然不同的技术（电子学与光子学）。

现在一群研究人员首次提出了在同一芯片上构建大量硅晶体管和光学组件的方法，且无须彻底调整芯片制造工艺。他们用这种方法造出了包含7000万个晶体管和850个光子组件的集成电路，共同承担处理器所需的逻辑、存储和互连功能。

在连接两个此类芯片（一个作为处理器，另一个作为存储器）的测试中，使用外置激光器提供的单一波长的光，光学互联实现了沿光纤每个方向上2.5吉字节/秒的数据率。增加带宽与增加波长同样简单。虽然他们并未测试到这一地步，但芯片应能够在同一光纤的每个方向上实现27.5吉比特/秒的传输速度。

参与这一项目的工程师们（分别来自麻省理工学院、加州大学伯克利分校和科罗拉多大学波尔得分校）发明了被他们称为“零变化”的芯片制造方法。这种方法依靠当前制造计算机芯片的标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，即2007年出现的所谓45纳米节点的高性能制造工艺。麻省理工学院的孙辰（Chen Sun，音）说：“对这项工艺，我们未作任何改动。”

他们首先制作硅衬底；而后添加一层200纳米厚的二氧化硅作为绝缘层；再上面是100纳米厚的晶体硅活性层和100纳米厚的氮化物层以及绝缘涂层。晶体硅包含少量锗，从而对硅产生应力，提高电路速率。

孙辰说：“我们能够利用这些现有层制造处理器。”他们设计的处理器采用了双核RISC-V架构，这是一种最初由加州大学伯克利分校开发的开源指令集架构。另外还配备了1兆字节的固态随机存取存储器（RAM）。

这项工艺的关键是将一部分硅衬底蚀刻掉。由于氧化层太薄，光可透过氧化层到达硅衬底，造成损耗。去除衬底可减少这一损耗。即使芯片正面朝下安装在打印的电路板上，但如果不使用硅，虽可利用外置激光器作为光学器件的光源，却无法对整个芯片进行蚀刻。研究小组保留了微处理器和存储器下方的硅，此处无光射出，从而可以安装散热器，冷却处理器。

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芯片光子部分的真正核心是微环谐振器，一种耦合到波导中的直径为10微米的环型器件。他们将晶体管p-n结使用的相同元素掺杂在结构中，从而形成陷波滤波器，该器件可以透过除单一波长光以外的所有入射光。在p-n结施加一个负电压可将载流子推出微环谐振器，而施加正电压时，载流子返回微环谐振器，从而形成将数字信号加载到光束上的调制器。

这种调制器可用于发送光编码信号，但接收并将其转为处理器可以处理的电子信号则需要使用光电探测器，此时微环也非常重要。通常，光电探测器由芯片中的硅锗构成，长度必须介于几毫米到1厘米之间，才有可能吸收足够的光子来进行光探测。这太大了。但有了微环谐振器，光电探测器就可以大大缩短，因为光穿过多次，锗硅合金可以吸收光并产生电子信号。

孙辰说，微环谐振器早已问世，但“业内人士似乎忽略了这种装置”；这是因为它们变热时，折射率会发生改变，微环谐振器就会慢慢偏离所需波长。

解决的办法是形成有效的热稳定性。稳定系统包括一个单独的光电探测器和一个数字控制器。当探测器探测到光电流量出现变化时，控制器会改变整个微环的电压。这会改变结构所散发的热量，使其折射率恢复到正常值。

孙辰说，他位于伯克利的创业公司Ayar Labs希望能在几年内实现这项技术的商业化，但有不止一位专家对此表示怀疑。南加州大学光子学中心电气工程和物理学教授安东尼•列维（Anthony Levi）说，研究光电处理器的工程师们制造出能够集成光子学和电子学的芯片是值得庆祝的，但是他怀疑这种方法是否实用。列维说：“硅光子学领域的挑战依旧未变，这包括光损耗过大、功耗过高、芯片面积过大等等。”

他说，资助这项研究的美国国防部高级研究计划局在硅光子学领域投入了“大量的科研经费”，但是企业和客户的决定归根结底还是以成本为导向，他们尚未接受这一新技术。列维说：“即使这项技术能够发挥作用，要采取新的破坏性的方式建立系统也必须要有一个令人信服的理由。”

作者：Neil Savage