芯耀
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集成電路發(fā)展至今，電子一直承擔(dān)著在集成芯片中傳輸信息的功能。隨著集成電路密度越來越接近物理極限，芯片越來越難以單純靠升級(jí)制程實(shí)現(xiàn)性能提升。將芯片內(nèi)傳輸信息的介質(zhì)由電子轉(zhuǎn)換為更高帶寬、更低功耗的光子被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代實(shí)現(xiàn)芯片性能升級(jí)的最新渠道。
全光芯片尚遠(yuǎn) 光電融合是必經(jīng)之路
“光子芯片”是指由光路感知、傳輸和處理信息的芯片。目前，純光子器件已能作為獨(dú)立的功能模塊使用，但是，由于光子本身難以靈活控制光路開關(guān)，也不能作為類似微電子器件的存儲(chǔ)單元，純光子器件自身難以實(shí)現(xiàn)完整的信息處理功能，依然需借助電子器件實(shí)現(xiàn)。因此，完美意義上的純“光子芯片”仍處于概念階段，尚未形成可實(shí)用的系統(tǒng)。嚴(yán)格意義上講，當(dāng)前的“光子芯片”應(yīng)該是指集成了光子器件或光子功能單元的光電融合芯片。
華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院微電子工程系研究員譚旻告訴《中國電子報(bào)》記者，目前，全球在光子芯片方面的研究工作主要集中在光子器件的制備、器件之間的連接兩個(gè)方面，正處于從光子器件物理制備到光和電融合回路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折性階段。他認(rèn)為，如果要進(jìn)行大規(guī)模實(shí)用化，光和電的回路級(jí)融合是必經(jīng)之路：“全光芯片在短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)，光電融合芯片很有可能是光子芯片的終極形式。”
通信業(yè)率先應(yīng)用 嘗試多場(chǎng)景拓展
光電子芯片當(dāng)前主要用于通信領(lǐng)域。在使用光纖的遠(yuǎn)程通信中，光電子芯片在光纖兩端起到發(fā)射和接收的作用，與日常生活比較接近的，便是在光貓中的應(yīng)用。光貓中的光電子芯片可用于光電信息轉(zhuǎn)換。在短距離通信中，光電子芯片主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心不同服務(wù)器之間的相互連接和高性能計(jì)算中。由于光通信具有速度快、損耗低的優(yōu)點(diǎn)，超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器之間使用光纖做數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器的板卡也使用光纖進(jìn)行連接。這就意味著，在此類服務(wù)器中，存在光電子芯片進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。此外，部分集成電路中使用光層傳輸時(shí)鐘信號(hào)，以同步集成電路中不同區(qū)塊工作。
在光傳感、激光雷達(dá)、生物傳感、光計(jì)算、光量子、光電人工智能、光電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，國內(nèi)外都有很多機(jī)構(gòu)在做前沿研究，但仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。一旦實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，形成現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可能，將有可能成為填補(bǔ)電子芯片空白的顛覆性技術(shù)。
目前，英特爾已經(jīng)能做到在CMOS芯片緊密集成的單一技術(shù)平臺(tái)上，將多波長激光器、半導(dǎo)體光學(xué)放大器、全硅光電檢測(cè)器以及微型環(huán)調(diào)制器集成到一起，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)集成光子器件模塊芯片的量產(chǎn)應(yīng)用。英特爾研究院副總裁、中國研究院院長宋繼強(qiáng)向《中國電子報(bào)》記者表示，在電子芯片存在功能限制性的領(lǐng)域，光子芯片存在很大的替代優(yōu)勢(shì)。當(dāng)處理器計(jì)算能力提升時(shí)，需要更多跨處理器甚至是跨服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交互。當(dāng)數(shù)據(jù)交互體量提升，I/O交互將會(huì)成為瓶頸——尺寸上無法繼續(xù)縮減，而功耗也無法降低。I/O計(jì)算將消耗大量的電能，但計(jì)算能力會(huì)大大降低。由此，英特爾把光看作替代銅的優(yōu)秀互連介質(zhì)，正在努力通過光器件與電器件緊密封裝、制作收發(fā)器等方式，解決光電轉(zhuǎn)化效率低、光器件體積大等問題，以期實(shí)現(xiàn)由光路替代金屬電路。
提高硬件水平 保障光電融合開發(fā)
研發(fā)光電子芯片對(duì)于我國科研團(tuán)隊(duì)來說，是一塊難啃的硬骨頭。一是因?yàn)槲覈擃I(lǐng)域技術(shù)人才缺乏，二是因?yàn)楣怆娀芈芳?jí)融合處于國際前沿領(lǐng)域，缺乏可借鑒經(jīng)驗(yàn)。用譚旻的話來說，我國在光電子芯片研發(fā)領(lǐng)域面臨“深度硬交叉，前沿?zé)o人區(qū)”局面。
要生產(chǎn)光電融合芯片，需要既能制備光子器件又能制備電子器件的復(fù)合型人才，還需要實(shí)現(xiàn)光電器件的整合。
從我國當(dāng)前的學(xué)科設(shè)置來看，光學(xué)與電子學(xué)是兩個(gè)分立的學(xué)科，研究內(nèi)容、研究方法都有很大的區(qū)別。而作為光電融合領(lǐng)域的研發(fā)人員，顯然對(duì)光、電任何一個(gè)領(lǐng)域都不能僅是淺嘗輒止，這樣便對(duì)人才提出了更高的要求。
此外，光電融合回路在整個(gè)國際范圍內(nèi)都屬于前沿領(lǐng)域，僅有個(gè)別研究機(jī)構(gòu)從事該領(lǐng)域研究，缺少可供借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)?；谏鲜鲈颍?dāng)前國內(nèi)光電融合技術(shù)從設(shè)計(jì)軟件到芯片制備都沒有形成成熟的解決方案。
“芯片制備過程中可以使用的材料、器件都是無法采購的，都只能自己做，建模軟件都是我們自己做的。”2016年，譚旻回國后便在華中科技大學(xué)光電學(xué)院從事光電融合回路方面的研究。“前沿?zé)o人區(qū)”給研究團(tuán)隊(duì)帶來了超越國際的機(jī)會(huì)，同時(shí)也要求團(tuán)隊(duì)具備自主制備器件、自主編寫建模軟件等能力，譚旻及團(tuán)隊(duì)基本是“白手起家”進(jìn)行建設(shè)。
“從設(shè)計(jì)的角度，我們國家工程師的質(zhì)量是非常好的，人數(shù)也非常多。光子集成電路發(fā)展的難點(diǎn)在于設(shè)備和工藝條件的局限性。”浙江大學(xué)微電子集成系統(tǒng)研究所所長儲(chǔ)濤向《中國電子報(bào)》表示。我國硅光子集成芯片與國外起步時(shí)間接近，與國外的技術(shù)差距小，甚至在很多細(xì)分領(lǐng)域超過國外的發(fā)展水平。但在從設(shè)計(jì)向制造發(fā)展的過程中，便會(huì)遭受由于國內(nèi)硬件設(shè)備缺乏而帶來的“卡脖子”問題。在談及光子芯片產(chǎn)業(yè)化問題時(shí)，儲(chǔ)濤表現(xiàn)出了無奈：“國內(nèi)大學(xué)能寫很多論文，能做設(shè)計(jì)，但大學(xué)很難將其迭代研發(fā)成熟再形成產(chǎn)品，因?yàn)槿狈τ布l件。”
來自華中科技大學(xué)的譚旻同樣提到了國內(nèi)硬件基礎(chǔ)差給團(tuán)隊(duì)研發(fā)帶來的困難。制作新芯片需要新的制作工藝，而國內(nèi)公司難以提供新工藝所需的硬件設(shè)備。由此，要拿到所設(shè)計(jì)芯片的實(shí)體樣品，科研團(tuán)隊(duì)便需要將產(chǎn)品送到國外代工。“國內(nèi)目前不具備光電全集成芯片的能力。國內(nèi)廠商目前可以做獨(dú)立的電子芯片，也可以做獨(dú)立的光子芯片，但無法做光電融合芯片。”譚旻表示。據(jù)了解，當(dāng)前，國內(nèi)仍缺乏能夠生產(chǎn)光電全集成芯片的廠商，海外能夠?qū)崿F(xiàn)的機(jī)構(gòu)包括德國創(chuàng)新高性能微電子所（IHP）、格羅方德半導(dǎo)體股份有限公司（Global Foundries）等。
由于國外公司根據(jù)新芯片調(diào)整制程需要耗費(fèi)時(shí)間，再加上境外交涉帶來的不便，從設(shè)計(jì)文件交出到拿到制作完成的芯片成品，甚至需要花費(fèi)一年半的時(shí)間，這大大影響了光子芯片的研發(fā)進(jìn)度。
產(chǎn)業(yè)化須全局統(tǒng)籌 機(jī)制保障最重要
在我國硬件工藝存在卡口、專業(yè)人才緊缺的情況下，若想要趕上國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)光子芯片產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，建立起一整套資源統(tǒng)籌機(jī)制是不可或缺的。
要解決國內(nèi)工藝設(shè)備問題，或者可以先從已有工藝平臺(tái)入手，提高工藝平臺(tái)開放度、為研究機(jī)構(gòu)解決基本模型制作問題。若要提升科技成果轉(zhuǎn)化效率，或許可以仿照日本國家產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、中國臺(tái)灣“中研院”的運(yùn)作模式，建立基礎(chǔ)研究向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的中繼機(jī)構(gòu)，輔助企業(yè)完成產(chǎn)品初級(jí)孵化。
儲(chǔ)濤認(rèn)為，如果光要代替電承擔(dān)更多的功能，需要科研人員發(fā)揮更大的想象力，以光子芯片實(shí)現(xiàn)功能的方式可能將超過現(xiàn)有的慣性思維方式。現(xiàn)如今I/O邏輯計(jì)算已經(jīng)成為計(jì)算的基本思維模式，而在未來，包括光子技術(shù)在內(nèi)的信息處理系統(tǒng)，若是想成為顛覆性技術(shù)，可能需要年輕人跳出I/O架構(gòu)的數(shù)字邏輯，建構(gòu)起新的模擬信息處理邏輯。這樣一來，或許光便能夠擺脫依靠電子做計(jì)算的桎梏，從而取得更好的發(fā)展。
但就光子芯片對(duì)電子芯片的替代能力來看，儲(chǔ)濤并不認(rèn)為存在一種技術(shù)能夠完全取代CMOS 技術(shù)。不論是光子集成技術(shù)，還是后摩爾時(shí)代其他具有顛覆性可能的技術(shù)，都不能起到整體顛覆的作用。“與電子芯片相比，光子芯片的確能夠?qū)崿F(xiàn)原先芯片無法實(shí)現(xiàn)的功能，但與電子芯片相比，光子芯片的應(yīng)用還相對(duì)較窄。”
譚旻認(rèn)為，要成為顛覆性技術(shù)具備兩個(gè)條件：第一，顛覆性技術(shù)應(yīng)該與既有的技術(shù)之間存在技術(shù)范式不同；第二，該技術(shù)能夠滿足剛性的需求。
