3D光電子集成技術取得新突破

近日，哥倫比亞大學研究團隊的一項關于三維（3D）光電子集成技術的研究成果在國際學術期刊《自然光子學》（Nature Photonics）上在線發(fā)表，該研究通過80通道的三維集成驗證了光子芯片在AI計算中的潛力。

硅光子技術可將光學元件集成于單一芯片。論文指出，此前研究已實現(xiàn)單芯片64通道系統(tǒng)（發(fā)射端240 fJ/比特），但接收端能耗超過1000 fJ/比特，且二維平面布局限制了密度。三維集成通過分離光子芯片與先進CMOS電子芯片，突破了上述限制。

不過，現(xiàn)有3D集成方案通道數(shù)不足8個，且鍵合間距遠大于器件尺寸。在此次研究中，僅為0.3 mm2的芯片面積上集成了80個光子發(fā)射器與接收器，其3D集成通道數(shù)量較此前提升了一個數(shù)量級。由此實現(xiàn)了高帶寬（800 Gb/s）與高密度（5.3 Tb/s/mm2）的3D通道。

據(jù)介紹，在收發(fā)器組裝中，光子芯片通過美國集成光子制造研究所（AIM Photonics）定制工藝制造，電子芯片采用了臺積電28nm CMOS工藝，鍵合工藝結合了銅錫凸點與熱壓鍵合技術。

值得關注的是，該架構兼容商用12英寸（300mm）晶圓CMOS工藝，具備大規(guī)模生產(chǎn)潛力。此類超高效、高帶寬的數(shù)據(jù)鏈路有望消除分布式計算節(jié)點間的帶寬瓶頸，支持未來AI計算硬件的擴展。光作為通信介質，能以極低能耗傳輸海量數(shù)據(jù)，為突破當前計算能力極限提供了可能。光互聯(lián)技術利用光子傳輸數(shù)據(jù)替代傳統(tǒng)電信號，正深刻重塑芯片產(chǎn)業(yè)的架構與性能邊界。

目前，光互聯(lián)正從“技術實驗”邁向“產(chǎn)業(yè)支柱”，其高帶寬、低功耗特性將重塑芯片設計范式。而隨著3D集成、硅光子和先進封裝技術的協(xié)同突破，未來十年光互聯(lián)有望成為高性能計算、AI及6G通信的底層標配，驅動芯片產(chǎn)業(yè)進入“光子時代”。（附原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01633-0）

作者丨楊鵬岳編輯丨張心怡美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東