IBM開發出2納米制程芯片的消息還未傳開，臺積電及其合作夥伴就宣布在1納米以下制程芯片上取得了技術突破。業內普遍認為，隨著芯片技術的飛速發展，正壹步步逼近其物理理論的極限。
最近，瑞士洛桑EPFL教授Tobias Kippenberg開發了壹種使用氮化矽襯底制造集成光子電路(光子芯片)的技術，實現了創紀錄的低光損耗和小芯片尺寸。相關研究發表在《自然-通訊》上。
光子芯片迎頭趕上，或許能幫助人們突破摩爾定律的“天花板”，開辟新的“賽道”。
矽系列和大馬士革技術
光子芯片通常由地殼中富含的矽制成，具有良好的光學性能，但很難滿足集成光子芯片的所有要求，因此出現了許多新材料來取代它，如氮化矽、二氧化矽、氮化鋁、鈮酸鋰和碳化矽。
Tobias Kippenberg的團隊采用了氮化矽光子大馬士革工藝(光子鑲嵌工藝)技術。大馬士革工藝是壹種非常古老的工藝，可以追溯到阿拉伯人在他們的武器和裝飾品上制作彩色鑲嵌和繪畫。在這個過程中，首先要做出人物的輪廓，然後將色彩材料嵌入輪廓中，並進行打磨，這樣就可以得到色彩豐富的圖案。
“大馬士革工藝的理念被用於早期銅制電子電路的制造。在研究過程中，我們將氮化矽大馬士革工藝應用於集成光路的制造，並實現了極低的光損耗。”論文第壹作者、微納技術中心博士劉告訴《中國科學報》，“利用這項技術，我們制作了光損耗僅為1 dB/m的集成光路，創下了所有非線性光子集成材料的記錄。”
利用這項新技術，研究人員在壹個5平方毫米的芯片上制造了壹個高品質因數的微型諧振器和壹個超過1米長的波導管。他們還報告了90%的制造良率，這對未來擴大工業生產規模非常重要。
“超低損耗的氮化矽集成光子芯片對於未來的通信、計算和6G技術非常重要。這種類型的光子芯片可以將信息編碼成光，然後通過光纖傳輸，成為光通信的核心部件。”劉對說:
光子積分，遲到，先到
“電子芯片工作時，可以理解為將電信號輸入芯片進行處理，如存儲、讀取、運算等。，然後輸出。同樣，光子芯片是將光信號輸入芯片進行數據傳輸、存儲、計算和輸出的芯片。”劉說，“與電子芯片相比，光子芯片有自己獨特的優勢，雖然起步較晚。”
科學家認為，光具有天然的並行處理能力和成熟的波分復用技術，大大提高了光子芯片的數據處理能力、容量和帶寬。光波的波長、頻率、偏振態和相位等信息可以表示不同的數據，可以用作非常有效的通信種子源。
“光子芯片具有運算速度快、功耗低、延遲低的特點，不易受溫度、電磁場和噪聲變化的影響。”中科創興董事總經理張說，“光子芯片可以有更多的性能來改善空間，而不需要追求工藝尺寸的極度縮小。”
“與電子芯片相比，光學芯片在通信、激光雷達、傳感、圖像分析等諸多領域有著獨特的優勢。”劉解釋說，光芯片的速度可以達到100G，比電芯片快很多，這樣就可以在光通道上編碼更多的信息，承載更多的信息，功耗也比電芯片小。因為光在傳播中不產生任何熱效應，這與電子不同，而且光與光之間沒有相互作用，不會受到背景電磁場的幹擾。
劉團隊用氮化矽光學芯片構建光學神經網絡，用卷積神經網絡求解矩陣，然後應用於浮雕濾光片。相關結果發表在今年5438年6月+10月的《自然》雜誌上。
“我們把壹個圖像信號放入系統，通過浮雕濾波器，會加強高頻信號，削弱低頻信號，也就是達到加強圖像邊緣的目的。比如壹輛車的圖片，它原來車燈的內部結構妳可能看不出來。在浮雕濾鏡處理過的新圖像中，燈的內部結構得到了強化。”劉說，“這證明了氮化矽光子芯片在光學神經網絡和深度學習方面有很好的應用。”
除了人工智能，光子芯片還廣泛應用於激光雷達、微波濾波器、毫米波產生、天體光譜儀定標、低噪聲微波產生，還可以作為中紅外雙梳光譜測量氣體中的成分。如果應用到光學相關層析成像中，我們可以看到生物組織的結構。它還可以用作數據中心交換機，用於數據調節。
雙軌之間的競爭與合作
劉說，壹般理解，電子芯片主要用於手機或電腦中的信息處理，但信息傳輸需要光纖。因此，到這壹步，需要電光轉換。“目前光和電在兩條‘軌道’上，各有各的應用場景。”
“現在英特爾數據中心使用的集成半導體激光器是將電信號轉換成光信號，然後進行數據處理、編碼和傳輸。英特爾每年向全球交付數千萬個這樣的集成半導體激光芯片。”劉說，“與傳統的分立‘光-電-光’處理方式相比，光子集成電路降低了復雜度，提高了可靠性，可以用更低的成本構建壹個全新的節點更多的網絡結構。雖然還處於初級發展階段，但已經成為光學器件的主流發展趨勢。”
“在邏輯運算領域，未來的趨勢是光電集成的結合，實現全光計算還需要很長時間。”張說，“壹般來說，光子芯片只能在個別計算和傳輸領域替代電子芯片。”
劉認為，從架構上看，整個光子芯片系統是非常復雜的。光子芯片系統由光源、處理器和探測器組成，也需要各種材料的集成和配合。很少有單個研究單位能夠構建和準備整個系統。在制造工藝上，雖然兩者的工藝和復雜程度差不多，但光子芯片的結構要求沒有電學芯片那麽嚴格，壹般都是幾百納米。因此，光子芯片不必像電子芯片壹樣使用極紫外光刻(EUV)。
“光的波長在100納米到1微米的數量級，這限制了光子器件的集成密度。但同時，這也意味著光學芯片的最佳工作條件並不依賴於最先進的半導體工藝，比如極紫外光刻。”劉說，“這大大降低了對先進技術的依賴，在壹定程度上緩解了芯片發展的瓶頸問題。”
此外，光子芯片提供了壹種全新的芯片設計架構思路，完全顛覆了原有的設計理念，擁有了更多的設計創意空間。
“光有光的優勢，電有電的優勢。光的好處是穩定，不易受外界影響。同時這也是光的缺點，也就是說人想要操縱光，改變光的狀態，手段非常有限。”劉說，“在壹些應用場景中，兩者也有競爭，比如神經網絡。但更多時候，兩者是合作的。光芯片技術目前還沒有電芯片成熟，未知因素很多，未來兩者應該會很好的對接。”
對此，中科院微電子所研究員、R&D集成電路中試技術中心副主任羅俊持相同觀點。
"電子集成電路和光子集成電路之間存在互補關系."羅俊告訴《中國科學報》，“未來，我們可以充分利用光子集成電路高速傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優勢，在新的‘賽道’上跑得更好。”
相關論文信息:https://doi . org/10.1038/s 41467-021-21973-z。
https://doi . org/10.1038/s 41586-020-03070-1