硅基光电“芯”发展

徐凌波　李东升

当你把玩着轻巧的智能手机或是平板电脑时，你可曾想到计算机芯片经历了脱胎换骨的改变。从1958年第一个仅包含一个晶体管、三个电阻和一个电容的集成电路问世，到如今动辄包含10亿个晶体管的处理器芯片，短短50多年时间，芯片研发和制造产业飞速发展。1965年，英特尔创始人之一戈登·摩尔曾大胆预言：单位面积芯片上的晶体管数量每年能实现翻番。时至今日，摩尔定律已有半个世纪的高龄，它犹如一只无形的大手，推动着整个集成电路产业向前发展，计算机外形在变小，性能逐步提高，价格也进一步走低。然而，就在各类微型电子产品层出不穷的背景下，集成电路发展的脚步却已悄悄放缓，摩尔定律预言的神话面临着前所未有的危机。

反方 短路和发热

集成电路是利用半导体、电阻和电容等元件及导线在一小块硅片上搭建起的微型电路，它是电子社会的基石，同时也是芯片制造产业的基础。伴随着科技水平的发展，集成电路中所用元件的尺寸越来越小，但集成度的提升也会使绝缘材料的厚度减小，致使绝缘能力下降。科学研究发现：当绝缘层的厚度低于5nm时，芯片上的集成电路间就会发生短路。

除了电路短路问题，在集成度提升的同时，用于连接各种元件的导线也越来越多，芯片电阻的增大使芯片发热成了另一个棘手的问题。即便是功能相对单一的手机芯片，后台运行任务过多也可能使其成为“冬日暖手宝”，英伟达公司的Tegra芯片就因其发热问题严重而被戏谑为“核弹”。高温发热俨然已经成为了制约集成电路发展的又一大拦路虎。

正方 硅基光电集成技术

传统电子计算机中，电子是信息传输的载体，而在科幻小说中则早已出现了“光脑”的畅想。“光脑”就是光子计算机，利用光信号进行数字运算、逻辑操作、信息传输与存储，运算效率远超电子计算机。与电子相比，光子的传输速度要大得多，并且光信号之间不会相互干扰，可以做到千万条光束同时穿越一个光学元件而不相互影响。此外，光传输、转换过程中的能量消耗极少，这能有效避免高温产生。然而现实总是残酷的，科学家很快就发现制造纳米级的光学透镜是如此困难，想在小小的芯片上集成数十亿的透镜更是远超现有的技术水平。幸而科学家们没有放弃将光引入芯片世界的努力，并提出了一种行之有效的折中方案——光电子计算机。在光电子计算机中，数字运算、逻辑操作还是通过电信号来完成，信息的传输则由光信号完成。虽然在现有的电子芯片上集成光电转换模块和光信号传输通道，比制备全新的光子芯片难度降低了很多，但把这些元件缩小到纳米尺度也绝非易事。

此后，经过科学家不断的努力和尝试，硅基光电集成技术应运而生，它利用集成电路的制造工艺，在硅片上引入各种转化和传递光信号的微型光学元件。集成电路制造工艺成熟先进、价格低廉；光学元件则传输速率高、抗干扰性好，硅基光电集成技术实现了二者之间巧妙的结合。这正如在远距离通信中，传输光信号的光纤取代了传递电信号的铜绞线使得信息交换速率快速提升，硅基光电集成技术可以极大提升芯片间及芯片内的数据传输速率，进一步释放集成电路的潜能。美国和欧盟等发达国家已设立专项资金对硅基光电集成技术进行研发，我国也在“973计划”中明确了相关内容的研究。

光子新时代

在硅基光电集成技术的发展中，英特尔公司是当之无愧的先驱。早在20世纪90年代中期，英特尔公司就开始了硅基光电集成技术的研发，并相继研发出了混合硅激光器、硅基光电雪崩探测器等各种光学元件。2010年，英特尔公司首次实现了两个硅基光电芯片间高达50GB每秒的数据传输速率。同年，IBM公司则采用标准的集成电路制造工艺在硅芯片内整合了多种不同的光学元件和电子电路。种种迹象表明硅基光电芯片不再局限于科研领域，而转换进入商业化领域。

尽管硅基光电集成技术飞速发展，但由于硅材料本身的发光效率极低，这也制约了其大规模应用。一旦硅基光源的研究得以突破，硅基光电集成的产业化发展必将会有新的突破。到那时，数据的传输速率将高达上百GB每秒，只要几秒钟就能下载整部电影，也可以流畅地在线观看各种高清视频及3D全息影像。依赖高传输速率，本地设备的结构和功能也可以大大简化，大部分的资源存储、处理都可以在网络云端完成，需要使用时再发回本地设备。可以想象，我们的电脑将会变得更轻、更薄，待机时间也会大大延长。

硅基光电集成技术的曙光已经出现，相信在科学技术的推动下，集成电路发展必将推动人类进入全新的“光子时代”。