走向微电子新时代的道路

来自波士顿大学，麻省理工学院，加州大学伯克利分校和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发出一种制造硅片的方法，该芯片可与光通信，并且不比现有芯片技术昂贵。结果是由国防高级研究计划局资助的为期数年的项目的高潮，这是由加州大学伯克利分校副教授Vladimir Stojanovic，麻省理工学院Rajeev Ram教授和Milos Popovic助理教授领导的团队之间的密切合作。波士顿大学和以前的CU博尔德。他们与纽约州立大学奥尔巴尼分校的纳米科学与工程学院(CNSE)的半导体制造研究团队合作。

当前微电子芯片之间的电信号瓶颈已经将光通信作为进一步技术进步的唯一选择之一。传统的数据传输方法 - 电线 - 限制了传输数据的速度和速度。它还使用大量电力并产生热量。随着对电子产品中更高性能和更低功率的不懈需求，已经达到了这些限制。但随着这一新发展，这个瓶颈可以得到解决。

波托维奇说：“而不是每根承载10到100千兆比特的单根电线，你可以拥有一根每秒10到20太比特的光纤 - 所以在相同的占地面积上大约要多一千倍。”

“如果用光纤替换电线，有两种方法可以获胜，”他说。“首先，使用光线，您可以以更高的频率发送数据，而不会像铜线那样显着损失能量。其次，使用光学元件，您可以在一根光纤中使用多种不同颜色的光，每一种都可以携带数据通道与铜线相比，光纤也可以更紧密地封装在一起而不会产生串扰。“

过去，将光子功能集成到计算机和智能手机中使用的最先进芯片上的进展受制造障碍的阻碍。现代处理器通过高度发达的工业半导体制造工艺实现，能够冲压出在一个芯片上协同工作的十亿个晶体管。但是这些制造工艺经过精细调整，并设计了一种方法，将光学器件包含在芯片上，同时保持当前的电气能力完好无损。

克服这一障碍的第一个重大成功是在2015年，同一组研究人员在自然界发表了另一篇解决这一问题的论文，但是在有限的商业相关环境中这样做了。该论文展示了世界上第一台具有光子数据传输能力的微处理器及其制造方法，而不改变原有的制造工艺 - 研究人员将这一概念称为零变化技术。Ram，Popovic和Stojanovic共同创办的初创公司Ayar Labs，Inc。最近与主要的半导体行业制造商GlobalFoundries合作，将这项技术商业化。

然而，该先前的方法适用于不包括最普遍类型的一小部分现有技术的微电子芯片，其使用称为体硅的起始材料。

在新论文中，研究人员通过在硅芯片的光子处理部分引入一组新材料层，提出了一种适用于基于体硅的商业上最广泛的芯片的制造解决方案。他们证明这种变化允许光通信而不会对电子产生负面影响。通过与CNSE Albany最先进的半导体制造研究人员合作开发此解决方案，科学家们确保所开发的任何工艺都可以无缝地插入到当前的工业级制造中。

“通过仔细研究和优化光子器件附加材料层的特性，我们设法在带宽密度和能耗方面展示了最先进的系统级性能，同时从更便宜的工艺开始竞争技术，“波波维奇研究小组的前博士后人员法比奥·帕瓦内洛说，他是该论文的共同第一作者，麻省理工学院的研究科学家Amir Atabaki和加州大学伯克利分校的研究生Sajjad Moazeni。“我们三个不同学科的团队花了几年时间进行了一次重大合作，以实现这一目标，”Atabaki补充道。

这个将光子技术引入最先进的大容量硅微电子芯片的新平台有望实现更快，更节能的通信，从而大大改善计算和移动设备。超越传统数据通信的应用包括加速用于图像和语音识别任务的深度学习人工神经网络的培训，以及用于自动驾驶汽车，智能手机面部识别和增强现实技术的低成本红外LIDAR传感器。此外，光学微处理器可以实现新型数据安全和硬件认证，更强大的芯片用于在第5代(5G)无线网络上运行的移动设备，以及用于量子信息处理和计算的组件。

“对于电子晶体管尺寸低于20nm的最先进和最先进的半导体制造技术，没有其他方法可以整合光子学而不是这种方法。”Vladimir Stojanovic总结道，他的团队领导了一些工作。 ，“用于形成晶体管的所有材料层都变得太薄而无法支持光子学，因此需要额外的层。”