经过50年的努力，研究人员制造了硅发光二极管

陈珂

大约50年前，英特尔的联合创始人戈登·摩尔预测，计算机芯片中封装的晶体管数量每两年就会翻一番，即摩尔定律。英特尔在1970年代初发布第一个微处理器时，它的晶体管刚好超过2000个。如今，iPhone中的处理器已达数十亿，摩尔定律也不灵了。

充当计算机芯片的晶体管已经足够小，如果更密集可能会导致各种问题：过热和奇怪的量子效应。硅是计算机芯片中的主要材料，它的发光性能很差。我们正在接近电子计算机芯片的速度极限。如果想走得更快，需要携带数据的光子以及一些微型激光器，解决方案是用光连接代替某些电子电路，在芯片周围传输数据。

摩尔定律失效之后

摩尔定律过去是每 5 年增长 10 倍，每 10 年增长 100 倍。而如今，摩尔定律每年只能增长几个百分点，每 10 年可能只有 2 倍。因此，摩尔定律结束了。 信息技术对中央处理器（CPU）的依赖已转向于图形处理器（GPU）。要推动应用程序运行提速不可只依赖于芯片，还需要重新设计整个堆栈、算法、软件和处理器。

有业内人士担心，如果摩尔定律失效，半导体行业的发展放缓将影响整个科技行业推进。而硅谷创业教父史蒂夫·布兰克曾撰文指出，摩尔定律其实在十年前就已经失效，只是消费者没有意识到。

技术在进步，4月上旬，由荷兰埃因霍温科技大学物理学家埃里克·巴克斯领导的研究小组在《自然》杂志上发表了一篇论文，详细介绍了他们如何制造了可发光的硅合金纳米线。几十年来，物理学家一直在努力解决这个问题——开发计算机芯片中的微型硅激光器。在常规电子芯片上集成光子电路，能够在不提高芯片温度的情况下加快数据传输速度并降低能耗，这可能使其特别适用于机器学习等数据密集型应用。

“能够证明由硅混合物制成的纳米线发出的光是一项重大突破，因为这些材料与计算机芯片行业中使用的制造工艺兼容，”微光子学小组负责人帕斯卡·德尔海耶说，“将来这可能使结合光电路和电子电路的微芯片生产成为可能。”

光子电路进行时

谈到让硅能产生光子，这与结构有关：普通的计算机芯片建立在称为晶圆的硅薄层上，硅是计算机芯片的理想介质，因为半导体仅在特定条件下导电。

在晶片内，硅原子排列为立方晶格，允许电子在某些电压条件下在晶格内移动，但不允许光子进行类似的运动，所以光不能轻易地穿過硅。物理学家假设改变硅晶格的形状，使其由重复的六边形而不是立方体组成，允许光子通过材料传播。实际上创建这个六边形晶格被证明是极具挑战性的，因为硅想要以最稳定的立方体形式结晶，人们尝试制造六角形硅已有40年，但没有成功。

巴克斯及其同事一直致力于创建六角形的硅晶格已有十年之久，他们的解决方案的一部分涉及使用由砷化镓制成的纳米线作为支架，生成具有六边形结构的硅锗合金制成的纳米线。“在硅中添加锗对于调节光的波长和材料的其他光学特性很重要，花费的时间比我预期的要长。” 巴克斯说。

为了测试硅合金纳米线是否发光，研发团队用红外激光对它们进行了“轰炸”，并测量了从另一侧发出的红外光的数量，结果检测到了从纳米线发出的能量，这表明硅纳米线在传输光子方面非常有效。

光计算的未来

接下来研究团队准备制造由硅合金制成的微型激光器，困难在于如何将激光器与常规电子计算机芯片集成在一起。在未来的微处理器之类的组件内，使用电子晶体管仍然是主流，但是对于长距离（例如计算机的CPU与内存之间或小的晶体管之间），使用光子而不是电子可以提高计算速度，同时减少能耗并从系统中散热。电子串行传输数据，一个电子需要依次传输数据，而光信号则可以在物理上尽可能快的速度（光速）一次在多个通道上传输数据。

由于光子电路可以快速地在计算机芯片周围重新整理大量数据，因此它们很可能在数据密集型应用中得到广泛使用。例如，它们可能是自动驾驶汽车中计算机的福音，后者必须实时处理来自车载传感器的大量数据。光子芯片也可能具有更多的普通应用。由于它们产生的热量不如电子芯片多，因此数据中心不需要那么多的冷却基础设施，这可以帮助减少大量的能源消耗。

研究人员和公司已经设法将激光集成到简单的电子电路中，但是该过程过于复杂且昂贵，无法大规模实施，因此该设备仅具有小众应用。研究人员在论文中写道：“该演示可能代表着芯片级电子光子系统时代的开始，具有改变计算系统架构，启用更强大计算机（从网络基础设施到数据中心和超级计算机）的潜力。”无论如何，科学家们朝着实用的光计算又迈出了重要的一步。