突破摩尔定律瓶颈:IMEC研发硅光子芯片新器件,登上Nature子刊

上周日,电路和计算机系统专家杰克·赫兹(Jake Hertz)撰文称,随着芯片制程的逐步缩小,摩尔定律正在遇到天花板,其中芯片互连是目前的技术瓶颈之一,硅光子学则有可能解决这一问题。杰克·赫兹主要分享了IMEC登上《自然·光子学》的研究项目和英特尔的硅光子学器件研究成果。

硅光子学是基于硅芯片的光子学技术,通过光波导传输数据,而非传统集成电路中用铜互连线传输电信号,能够实现更高的数据速率,也不存在电磁干扰问题,可以降低芯片功耗。

一、互连正在成为芯片性能瓶颈

当前集成电路有两个发展趋势:芯片制程正变得越来越小,芯片面积变得越来越大。由于制程变小,互连线的宽度和厚度都在减小;而芯片面积的增加使得互连线也在变长。

互连线就相当于IC内部的街道和高速公路,可将集成电路的各个元件连接起来,并与外界进行互动交流。互连层是芯片制造工艺中最密集、成本最容易受影响的部分。

此外,因为芯片互连层的增加,使得各个互连层之间的距离逐渐变小。这导致互连阻抗大幅增加,令互连层成为芯片延迟和功耗的最大输出来源之一。

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▲互连正在成为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

除了英特尔之外,来自比利时微电子研究中心的一组研究人员也认为硅光子学具有重要的研究价值。

Wouter Westerveld领导的研究小组开发出一种集成在硅光子芯片上的高灵敏度光机械超声探测器(OMUS),该设备的灵敏度比相同尺寸的压电探测器高100倍,这项研究登上了顶级学术期刊《自然·光子学》。

突破摩尔定律瓶颈:IMEC研发硅光子芯片新器件,登上Nature子刊

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-021-00776-0

传统的超声波传感器使用压电器件阵列,其压电器件依赖于特定超声波频率下的机械共振,会受到许多因素的限制。例如,压电器件越小,其灵敏度就越低,难以构建大型阵列。

而IMEC的研究人员提出了一种新的方法,即使用“裂肋式”硅光子波导(Split-rib waveguide)。他们通过像肋骨一样的光子波导环形依附在薄膜上,充当光子谐振器,之后再对整个薄膜施加一个强电场。

突破摩尔定律瓶颈:IMEC研发硅光子芯片新器件,登上Nature子刊

▲光机械超声探测器示意图(来源:《自然·光子学》)

这样,当超声波使薄膜稍微变形时,电场就会在波导的折射率中发生变化,从而该改变环形肋的共振波长。研究人员通过可调谐激光器实时读取波长,根据波长改变化得到精准的探测结果。

这项技术使得大型OMUS阵列可以集成到硅光子芯片上,凭借其特性可以适用于X线检查和肿瘤检测等生物医学应用。

三、英特尔:光互连六大技术要素齐备

许多人认为,解决这些问题的方法是硅光子学。去年12月4日,在英特尔研究院开放日上,英特尔首席工程师、英特尔研究院PHY研究实验室主任James Jaussi分享了英特尔在集成光点领域的最新进展。

James指出,电气互连面临两大限制,一是电气互连逐渐逼近物理极限,高能效电路设计存在诸多限制;二是I/O功耗墙的限制,即I/O功耗会逐渐高于现有的插接电源,导致电气性能扩展跟不上带宽需求的增长速度。

他提到,通过硅光子学技术,英特尔解决了电气I/O(输入/输出)的限制,实现了在光互连领域的关键进展。

光互连技术涉及六大技术要素,分别是:光产生、光放大、光检测、光调制、CMOS接口电路和封装集成。此前,英特尔在混合激光器的光产生领域实现创新。活动上,James展示了英特尔在其他五大技术构建模块上的进展。

分别是微型环调制器(micro-ring modulators)、全硅光电检测器(all silicon photo detector)、集成半导体光学放大器、集成多波长激光器(Integrated multi-wavelength lasers)和硅光子与CMOS芯片集成的封装技术。

突破摩尔定律瓶颈:IMEC研发硅光子芯片新器件,登上Nature子刊

▲英特尔微型环调制器宣传图(来源:英特尔)

根据英特尔官网消息,其微型环调制器缩小到了传统芯片调制器尺寸的1/1000。据其介绍,英特尔还是唯一一家在CMOS芯片单一平台上将多波长激光器、半导体光学放大器、全硅光电检测器以及微型环调制器集成到一起的公司。

四、硅光子学技术仍处研究阶段

尽管硅光子学有很大的前景,但是该技术也面临很多挑战:

1、由于硅具有非直接带隙,因此发光效率很低。基于硅的激光器或放大器不能与其它基于GaAs或者InP的激光器或放大器相媲美;

2、硅的带隙也较大,无法探测波长接近1300nm、1500nm波长的光;

3、硅具有二阶非线性,因此无法制作电光调制器;

4、芯片上的激光光源很难进行散热;

5、光学连接器精度要求较高,难以在量产中实现。

所以目前为止,这项技术主要局限于研究。但是硅光子学很符合数据中心等高传输速率、低能耗应用的需求,将会受市场持续推动。

结语:硅光子学或可解决互连瓶颈

硅光子学在工业、军事、经济等各个领域内都有广泛的应用,更是光网络通信与光子计算等技术的基础。鉴于目前传统半导体电路面临的挑战,硅光子学技术已经受到了越来越多的关注。其高速传输能力和低能耗或许可以解决当前芯片中的互连瓶颈,推动芯片技术进一步发展。

不过,构建实用的硅光子学设备仍需要材料科学、光子学、电子学等领域的研究人员之间的广泛跨学科努力和合作。

来源:All About Circuits、英特尔、《自然·光子学》

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