硅光芯片：突破“摩尔定律”曙光初现

 

来源：中国军网

讲叙人：江天，国防科技大学前沿交叉学科学院研究员

作者：王握文、任永存、朱晰然

 

它是在硅基平台上将光电子和微电子融合起来的一种新技术

它显示出的优异性能，为芯片研发“换道超车”带来希望

它发展方兴未艾，军事应用潜力巨大、前景非常广阔

 

 

晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”。它为集成电路、计算机、互联网等产生奠定了基础，从而将人类社会迅速带入信息时代。

 

当今世界，以集成电路为核心的微电子产品广泛应用于人们的生产生活，并渗透到各个领域，几乎改变了整个世界。

 

芯片作为一种复杂的集成电路，自20世纪50年代末发明以来，它的发展一直遵循“摩尔定律”，即性能每隔18个月提高一倍。发展至今，其集成度已提高5000多万倍，特征尺寸则缩减至一根头发丝直径的万分之一，其集成度及加工制造已受到严重制约，尺寸缩小几乎达到极限，“摩尔定律”面临着失效的“窘境”。在这种情况下，人们迫切希望有一种新技术开辟半导体行业新局面。

 

可谓“车到山前必有路”。如今，一种以光子和电子为信息载体的硅基光电子技术正在兴起。该技术催生的硅光芯片，被视为“后摩尔定律”时代新宠，为半导体芯片“换道超车”带来了希望，受到科技界广泛关注。

 

 

光电优势互补，硅光芯片迎来曙光

 

在半导体领域，微电子器件的进一步小型化，使得集成电路的互联延迟及能耗问题成了高速集成电路一个不可逾越的障碍。此时，科学家便想到了另辟蹊径。

 

与电子相比，光子作为信息载体有其独特优势：光子没有静止质量，光子之间的干扰相对更弱，光的不同波长可用于多路同时通信，使其带宽更大、速率更高。

 

那么，用光子代替电子，以光运算代替电运算，研制开发光子芯片，问题不就迎刃而解了吗？理想很丰满，现实却很骨感。一度被科学家寄予厚望的光子芯片在现实中行不通。因为，制造用于光子芯片的纳米级光学器件现阶段难以实现，而光的集成度也达不到现有微电子集成电路水平。

 

这并没有阻止科学家探索创新的脚步。他们想到，既然电子和光子各有利弊，那么，将两者取长补短融合在一起，是否会产生意想不到的效果呢？科学家经过研究发现：光子作为信息传递的载体，具有稳定可控的调制和复用维度，具有更大的带宽、更高的频谱利用率和通信容量。

 

更重要的是，基于微电子技术先进、成熟的互补金属氧化物半导体工艺，在传统硅芯片上集成光电器件难度不算太大，它无须通过缩小器件尺寸，便可大大提升芯片性能。因此，在传统硅芯片上，加入光子用来传输数据，是一个很有潜力的研究与应用方向。

 

早在1985年，被誉为“硅基光电子之父”的理查德·索里夫，首次提出并验证了单晶硅作为通信波长的导波材料。这意味着在硅基平台上成功“捕获”了光子，实现了光子器件集成于硅片之上。

 

随着硅光相干收发器、硅光收发模块、微波光子链路等光子器件在新世纪相继问世，硅基光电子技术进入系统应用阶段。不久的将来，大规模光电集成片上可重构系统也将变成现实，硅基光电子技术将进入自动化、集成化的新阶段，硅光芯片从此迎来曙光。

 

这种采用微电子和光电子取长补短相融合的硅基光电子技术，能在原来的硅芯片上，让微电子与光电子同时工作，彼此优势互补，使其性能得到大幅提升。

 

如果将融合了光电子和微电子的硅光芯片看成是一个联合进行信息作战的“兵团”，那么，在它纳米量级的“战场空间”上，光子、电子以及光电子器件等“士兵”进行协同作战，在高速、驱动放大、读出等“友军”的积极配合下，高精尖的光电耦合封装技术就会让其形成功能模块集成。

 

 

硅光芯片问世，性能卓越身价不凡

 

任何一项新技术的诞生，都不可能一蹴而就。硅基光电子技术虽然已取得一系列技术突破，但受限于光源、调控、光子器件研制等技术难题，目前还处于“量少价高”阶段，离大规模市场应用还有一段路要走。

 

面对目前芯片发展的“窘境”，硅基光电子技术无疑是未来信息技术发展的一大趋势。作为“后摩尔定律”时代的一项颠覆性技术，它既具有微电子尺寸小、耗电少、成本低、集成度高等特点，也有光电子多通道、大带宽、高速率、高密度等优点，已显示出卓越性能。

 

——集成强，整合易。硅基光电子技术利用大规模半导体制造工艺这一平台，可在绝缘体薄膜硅片上，集成信息吞吐所需的各种光子、电子、光电子器件，包括光源、光波导、调制器、探测器和晶体管集成电路等，从而在一个小小的芯片上实现光电子技术和微电子技术的高效整合。在量子通信、数据中心、智能驾驶、消费电子等对尺寸更加敏感的领域，有很大的应用空间，将会颠覆性改变人们未来生活方式。

 

——带宽大，速度快。在大数据时代，数据中心内的流量爆炸式增长，传统铜电路传输显得捉襟见肘。硅基光电子技术用光通路取代芯片间的数据电路，光模块的大带宽，不仅可降低能耗和发热，还能实现大容量光互连，有效解决网络拥堵和延迟等问题。同时，用激光束代替电子信号传输数据，可实现数据高速率传输。用户与数据中心之间、芯片与芯片之间、计算机设备之间以及长距离通信系统的信息发送和接收，都将因此变得快速、稳定。

 

——能耗少，成本低。得益于硅基材料高折射率、高光学限制能力的天然优势，可将光波导宽度和弯曲半径分别缩减至约0.4微米和2微米，使其集成密度相对更高。密度增高带来的是芯片尺寸的缩减，这势必会带来低成本、低功耗、小型化等独特优势。

 

未来，实现微电子器件和光电子器件大规模集成的硅光芯片，不仅能有效解决传统硅芯片面临的技术瓶颈，而且能为半导体行业带来新的发展机遇，推动信息技术迈上新台阶。

 

发展方兴未艾，军事应用前景广阔

 

硅基光电子技术，是当前受到国际重点关注的一项战略前沿技术，呈现出方兴未艾之势，将在5G网络、生物医疗、量子信息、数据中心光互连等领域刮起一场深刻的变革风暴。

 

在军事领域，硅基光电子技术同样显示出广阔的应用前景——

 

军事通信方面，硅基光电子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，能为未来信息化联合作战提供高速、海量的数据支撑。目前，400G硅光模块在一些国家已成功实现量产，在数据中心光互连架构中的应用价值已得到充分证明，可有效满足高速军事通信对超高传输速率、超低延时、超高稳定性、超低成本、低干扰的要求。

 

军事传感方面，应用硅基光电子技术的传感器，具有探测灵敏度高、尺寸小、战场适应性强、成本低等优势，将其用于下一代智能探测装置，可优化并升级作战性能。激光雷达已成为军事探测和侦察不可或缺的关键传感器，由于硅光芯片使用的SOI材料具有大折射率差，因而可对光实现更强束缚，其器件能得到显著缩小。目前激光雷达普遍庞大笨重，未来应用硅基光电子技术传感器的激光雷达将变得跟邮票一样大，从而使得军事探测和侦察目标更加精确且更具隐蔽性。有资料显示，一些国家已研制出基于硅基光学相控阵芯片的全固态激光雷达，其高集成度、快速扫描、小体积、低成本等优势，将成为下一代军用激光雷达的重要技术支撑。

 

军事高性能计算方面，能耗和信息读取速度成为制约高性能计算发展的两大因素，与电路相比较，光互连具有低损耗、低色散特点，且不存在寄生现象。其性能与成本不会随着距离增加而显著增加，可使计算机并行处理能力和计算能力得到大幅提升。应用硅基光电子芯片的军事高性能计算机，将在导弹弹道计算、核爆炸计算等方面发挥重要作用。

 

此外，硅基光电子技术在军事医疗、军事侦察、军事智能化等领域也展现出广阔的应用前景。目前，在生物医疗方面，已研制出生物传感器芯片；在军事智能化领域，硅光神经网络的建成和投入使用，将充当军事智能化发展的“催化剂”。