“光脑”渐近

刘洪宇

引领未来的硅光电子学研究方兴未艾。2008年年底,英特尔在《自然》上发表了在光电探测器方面的新突破,让“光脑”再激千层浪。我们多久才可以拥有它?一时间,“光脑”话题再度升温。

与叫了几十年的“电脑”相比,“光脑”似乎更时髦,而且充满着科幻色彩。试想,计算机如果以光子传递信息,即使光线相交也互不影响,而速度却至少提高三个数量级,突破电子逻辑门开关的速度极限。那时,我们再也没有金属导线的高延迟,没有令人头疼的高发热量,计算机更小更快、传输信息量更大……诸多优越性背后的技术支撑是硅光电子学。

英特尔将硅光电子学作为其战略性技术开展研究,并多次公开发表最新研究成果。2008年年底,英特尔在《自然》上发表了在光电探测器方面的新突破,让“光脑”再激千层浪,我们多久可以拥有它,五年、十年还是更久?一时间,“光脑”话题再度升温。尽管完全“光脑”还不可行,但作为第一步,我们已经看到科学家把电子转换器同光结合起来,制造出光与电混合的新一代计算机的曙光。

为何钟情硅光子

硅光子学唤起了太多人的热情。硅光子学既是半导体光子学中的新兴研究课题,也在发展中逐渐成为物理学、材料学、计算科学、通信学等多学科综合的一门交叉学科。硅光电子学专门研究在硅及硅基异质结材料中的光子行为和规律,并且非常注重硅光子器件。成熟的硅工艺为硅光子学提供了坚实的技术支持,加速了硅光子学的形成和发展。

一方面是现代微电子产业的基石——硅基半导体的发展接近极限,以英特尔为代表的半导体厂商都在寻找并引入高K新材料,以实现延长基于硅的摩尔定律的寿命;而另一方面,光电子技术作为一项快速发展且前景光明的技术,吸引众多国内外专家学者的关注,他们致力于将光子技术和微电子技术结合起来。

硅光子器件将是继集成电路之后最有应用前景的实用元器件,这一创新将在后硅材料时代引领技术革命。我国著名的硅光子学研究专家、中科院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室研究员余金中指出,成熟的硅光子学将在信息领域和社会生活中起到重要作用,特别是推动光计算发展。在未来十几年重点攻关后,在信息功能材料及器件、传感器网络及智能信息处理、激光技术、纳米研究等项目推进中,硅光子学具有广阔发展空间。

发展硅基光子科学和技术的意义是如此重大,这就不难理解为何有一定科研实力的国家都把这一学科作为长远的技术发展目标,这以美国最为突出。我国的863计划、973计划,也都把硅基光电子研究的相关课题列入计划,中国科学院微电子研究所、中国科学院半导体研究所光电子研究发展中心、浙江大学硅材料国家重点实验室、吉林大学集成光电子国家重点实验室等领先研究性机构,都在这一前瞻性研究的硅基材料、器件实用化等方面取得了突出成果。

成本是个大问题

我们期待硅光子技术突破,主要就是要解决提高传输速度的问题,尤其是进入单芯片万亿次计算时代后,这个问题就更加突出,与万亿次计算相匹配的还应该有万亿次通信。这个问题在未来的高性能计算领域同样存在,计算机需要找到一种更快的方法,以便在芯片内部及芯片之间传送大量数据,业界把突破通信瓶颈的希望寄托在硅光子通信上。

我们对“高带宽、低延迟”的期待可以从光纤谈起。目前,长距离传输由光纤通信实现,主要是城域和长距离传输,长度约是0.1km～80km。机架到机架也开始采用光纤传输,长度约是1m～100m。而从板卡到板卡、芯片到芯片,采取的还是导线传输。目前硅光子学研究就是要把光传输从长距离向超短距离传输扩展。

从目前发展情况来看,持续改进的技术只是问题的一个方面,另一个重要问题是成本。举例来说,以铜导线连接为例,每年需要连接的器件数量在数十亿以上,对光模块的需求量非常大。而目前,多数光子器件都采用砷化镓和磷化铟之类的特殊半导体制造,成本过于高昂、处理与封装也十分复杂,很难用于单台计算机甚至本地网络。英特尔院士兼光子学技术实验室总监Mario Paniccia在接受记者采访时说:“我们要把光通信技术的优势带到芯片级平台上,不只要有技术,还要把这个技术做到低成本,这样才可能把技术规模化,这是我们研究的推动力。”

Mario Paniccia说的这项技术就是硅光电子学,其愿景是要研究使用廉价、制造工艺简单的硅作为基础材料开发光子器件,并在现有的晶圆工厂中,采用标准的批量生产的硅制造技术来实现。这样带来的优势就是能为光通信带来规模经济效应。英特尔在开展这项研究的数年来取得了一系列成果,尤其是从2005年开始,逐渐进入了成果收获期。

一举两得的选择

硅光子学从研究到最终产业化,是一项系统工程,英特尔把通过光传输方式收发数据的过程分解为以下步骤来实现:一是先解决光源问题,就是生成光束的激光器,要能发出连续光;二是解决传输路径问题,就是光波导,就如同让光在硅平台上传播的高速公路网络;三是光调制器,把光束分成代表数字0和1的开/关信号,光的变化就携带了传输信息;四是光探测器,光传输到目的地后,需要有光探测器探测到脉冲光信号,把附加在光上面的信息下载下来,重新转换成电信号。

在这些技术问题都解决了之后,就是考虑生产与产业化的问题了,即实现低成本封装和CMOS工艺批量制造。现在基于硅的制造工艺已经非常成熟,这能够实现低成本的大规模生产。而根据不同的应用需求,我们还可以像搭积木一样,对这些模块进行组合,以实现不同的功能。

上面说的这些器件,目前都不是基于硅制造的,造价约数千美元,而且逐一进行组合和校准,仍显得过于昂贵和费时。英特尔将工作聚焦在利用低成本硅进行创新,创造新的光学器件,就是要同时解决技术问题和成本问题,因此英特尔取得的所有成果都是围绕着这一目标展开的。

如果不是出于成本考虑,或许硅很难进入光电研究的视野,因为硅实在不是很好的光学材料。虽然硅被广泛用于光的路由、探测、调制和放大,但它并不能有效发光。硅的明显缺陷是,硅晶体中的电子被激励后,会引起硅的晶格震动,结果发出的是热,而不是我们想要的光。

Mario Paniccia是英特尔在硅光子学领域的领军人物,它率领技术团队与高校密切合作,力克硅光子研究难题。与英特尔团队合作的学者众多,如加州大学圣芭芭拉分校教授John Bowers就是该领域的学术权威,研究硅光子学材料和激光已超过25年。

2004年,英特尔研究人员首次展示了带宽超过1GHz的硅激光调制器,比此前硅基调制记录快了近50倍。2005年,英特尔研究人员首次演示了硅可用来放大外部光源、利用拉曼效应产生连续的片上激光光波。2006年9月,英特尔与加州大学圣芭芭拉分校的研究人员宣布成功研发世界上首个采用标准硅工艺制造的电力混合硅激光器,产业化的重大障碍之一被成功解决。在取得成果的基础上,英特尔研究人员连续提高各步骤中关键部件的参数,目前基本都已达到或超过了传统光电子器件的性能表现。

英特尔的新突破

《自然》近期发布的硅光子最新研究成果是在硅激光探测器上的突破,英特尔使用硅材料创造了雪崩光电二极管性能的世界纪录,不仅性能达到了有史以来最高的340GHz增益带宽积,而且也是低成本的硅光子器件首次击败传统光电材料制造的器件。负责该项目的英特尔高级研究员亢宜敏就此接受了本报记者的越洋电话采访。

雪崩光电二极管被用在光纤传输设备中接收光信号,并将微弱信号放大。相比普通光探测器,它可以在相同功率下探测距离更长,或者相同距离下消耗的功率更小,以此来提高整个系统性能。其考量参数增益带宽积获得提高,同时预示着既可以得到很高的增益,也可以得到很高的带宽或速度。这意味着在给定速度下,能获得更好的放大效果。

“它是低成本、高增益、高带宽的结合,有更大的设计空间可以去降低成本、提高速度、延长距离。”亢宜敏表示,“光通信依赖系统性能,每个环节的功能都非常重要,比如激光器性能提高,系统性能也会相应提高;同样,雪崩探测器做得灵敏度更高,就会缓解性能对其他部件的要求。”从这个意义上讲,这项成果意味着整个硅光子系统都获得了提升。

这个高性能的雪崩光电二极管研发难度在于,锗的晶格常数要比硅大4%,雪崩探测是用锗生长到硅晶上,这就带来了应变,造成晶格错位产生附加噪声,进而产生暗电流。“我们希望暗电流越小越好,因此在研发中做了大量工作以减小暗电流。”亢宜敏说,下一步,英特尔将在更高速度上对这个器件进行验证,以探索不同带宽下的器件需要进行哪些设计上的变化。

尽管还处于研究阶段,但从商用化角度来看,这个340GHz的增益带宽积,可以应用到40Gbps的链路甚至更高带宽应用的雪崩探测器已经能够满足商用需求。除了光通信外,该器件还能运用在传感器、成像等应用中。

硅光器件最终还是要集成到硅基芯片,比如集成数十个、甚至数百个混合硅激光器,目前处于研究阶段的雪崩探测器已经采用传统的CMOS工艺,集成到了硅芯片中,但还没有与其他器件做芯片上面的集成。据了解,这项研究是经美国国防部高级研究项目署资助,由英特尔与加州大学圣芭芭拉分校、弗吉尼亚州立大学开发,并由Numonyx公司进行工艺研发的联合技术成果。