“未來(lái)芯片“——硅光子技術(shù)

近期，隨著芯片代工巨頭和先進(jìn)制程領(lǐng)跑者臺(tái)積電宣布聯(lián)手英特爾押注硅光子芯片，這種被業(yè)內(nèi)人士普遍好看的“未來(lái)芯片”，硅光子芯片進(jìn)入了大眾的視野。雖說(shuō)目前看來(lái)硅光芯片也許在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的芯片，但是在通信領(lǐng)域，很可能是未來(lái)的主流產(chǎn)品類(lèi)型。特別是對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，在先進(jìn)制程的芯片制造領(lǐng)域頻頻被西方世界“卡脖子”的情況下，硅光子芯片很有可能是繞過(guò)光刻機(jī)，實(shí)現(xiàn)換道超車(chē)的“出路”之一。

縱觀芯片發(fā)展的歷史，總是離不開(kāi)一個(gè)人們耳熟能詳?shù)母拍睢澳柖伞?。即：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍。換言之，處理器的性能大約每?jī)赡攴槐?，同時(shí)價(jià)格下降為之前的一半。但是隨著芯片制程的不斷進(jìn)步，單個(gè)元器件越來(lái)越小，逐漸逼近物理極限，摩爾定律似乎不太好用了，芯片內(nèi)部的互連線引起的各種微觀效應(yīng)成為影響芯片性能的重要因素，而芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一，就好比我們的公路當(dāng)路的寬度逐漸逼近上面行駛的汽車(chē)，這路會(huì)越來(lái)越難以在上面行駛。當(dāng)芯片越做越小時(shí)，互聯(lián)線也需要越來(lái)越細(xì)，互連線間距縮小，電子元件之間引起的各種量子效應(yīng)也會(huì)越來(lái)越影響電路的性能。

摩爾定律基本預(yù)測(cè)了幾十年來(lái)半導(dǎo)體的發(fā)展

那么，到底什么是硅光子芯片呢？顧名思義，硅光子芯片就是利用硅光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實(shí)現(xiàn)光子器件的集成制備。被業(yè)界認(rèn)為是是延續(xù)摩爾定律發(fā)展的技術(shù)之一。常見(jiàn)的互連線材料諸如鋁、銅、碳納米管等，而這些材質(zhì)的互連線無(wú)疑都會(huì)遇到物理極限，而光互連則不然。硅光子技術(shù)采用的基礎(chǔ)材料是玻璃。由于光對(duì)于玻璃來(lái)說(shuō)是透明的，不會(huì)發(fā)生干擾現(xiàn)象，因此理論上可以通過(guò)在玻璃中集成光波導(dǎo)通路來(lái)傳輸信號(hào)，很適合于計(jì)算機(jī)內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。在光互連中，最大的優(yōu)勢(shì)就是其超高速的傳輸速度，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。但是，作為下一代的半導(dǎo)體技術(shù)，其技術(shù)本身的起步卻很早就開(kāi)始了。早在上世紀(jì)九十年代，就提出了有關(guān)的一些概念，是為了在芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。21世紀(jì)初開(kāi)始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。

目前來(lái)看，硅光芯片主要有三大優(yōu)勢(shì)：集成度高、成本下降潛力大、波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異。首先，對(duì)于硅光芯片來(lái)說(shuō)，其襯底依舊是目前最成熟的硅，但是芯片間的互連采用更加緊湊的光來(lái)完成，與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度；其次，硅光子芯片的基礎(chǔ)材料不需要傳統(tǒng)先進(jìn)芯片的GaAs/InP襯底，只需要硅基材料即可，一旦大規(guī)模生產(chǎn)，芯片成本將會(huì)得以大幅降低；最后，硅的禁帶寬度為1.12eV，對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)為1.1μm。因此，硅對(duì)于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長(zhǎng)1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性。此外，硅的折射率高達(dá)3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。

還有一點(diǎn)很值得注意，就是對(duì)于我國(guó)目前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，硅光子芯片有它獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)——可以避開(kāi)先進(jìn)光刻機(jī)的掣肘。雖然它在制作流程和復(fù)雜程度上同傳統(tǒng)芯片相似，但是它對(duì)于制程工藝的先進(jìn)程度要求不高，不像傳統(tǒng)芯片那樣制程和能效的關(guān)聯(lián)性巨大，一般百納米級(jí)的工藝水平就能滿足硅光子芯片的要求，這對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，120納米左右的芯片是完全可以自主生產(chǎn)的，這樣就可以繞開(kāi)先進(jìn)制程工藝的限制，在未來(lái)實(shí)現(xiàn)換道超車(chē)。

在未來(lái)硅光芯片的應(yīng)用場(chǎng)景也十分廣闊，特別是在智能駕駛和量子通信領(lǐng)域，硅光芯片都有這很大的潛力。先說(shuō)在智能駕駛方面，目前在高速發(fā)展并且應(yīng)用廣發(fā)的車(chē)載激光雷達(dá)技術(shù)（LiDAR）各位車(chē)主估計(jì)已經(jīng)見(jiàn)怪不怪了。車(chē)載激光雷達(dá)技術(shù)需要多路激光發(fā)射和接收，所以對(duì)于多路信號(hào)控制十分依賴(lài)，這恰恰是硅光芯片的優(yōu)勢(shì)，高度集成性和電光效應(yīng)相位調(diào)諧能力使得它非常適宜在車(chē)載激光雷達(dá)上取代傳統(tǒng)芯片得以應(yīng)用。目前有MIT、OURS等多個(gè)團(tuán)隊(duì)推出基于硅光的車(chē)載激光雷達(dá)產(chǎn)品，隨著無(wú)人駕駛、輔助駕駛應(yīng)用逐步成熟，LiDAR有望成為硅光重要應(yīng)用領(lǐng)域。

如果說(shuō)在智能駕駛方面，硅光芯片的優(yōu)勢(shì)還不算明顯，那在量子通信方面就是硅光芯片的主場(chǎng)了。眾所周知，量子通信的前提是制造糾纏態(tài)的光子并對(duì)其操縱控制，這是對(duì)于光的把握是硅光芯片最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，北大團(tuán)隊(duì)2018年3月在Science上發(fā)表了基于硅光的量子糾纏芯片的設(shè)計(jì)。在其中我們看到了量子通信在未來(lái)的軍事、金融、數(shù)據(jù)中心加密等保密領(lǐng)域有著顛覆性的優(yōu)勢(shì)，而基于硅光的量子通信芯片有望成為未來(lái)重要的技術(shù)方案。就目前而言，硅光子技術(shù)商業(yè)化較為成熟的領(lǐng)域主要在于數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長(zhǎng)距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等光連接領(lǐng)域，800G及以后硅光模塊性?xún)r(jià)比較為突出。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，硅光芯片將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸，LightCounting預(yù)測(cè)2022年800G光模塊會(huì)逐步起量，預(yù)計(jì)到2024年規(guī)模將超過(guò)400G光模塊市場(chǎng)，達(dá)70億美元。

說(shuō)了這么多硅光子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，這項(xiàng)技術(shù)有沒(méi)有缺點(diǎn)呢？當(dāng)然世界上沒(méi)有十全十美的事物，要是硅光子技術(shù)是完美的，那么我們現(xiàn)在大規(guī)模普及的就應(yīng)該是硅光芯片了。那么對(duì)于硅光子技術(shù)，它最大的問(wèn)題就在于硅光子芯片需要的器件多，而且目前仍有很多相關(guān)技術(shù)難題未解決：如陶瓷套管/插芯、光收發(fā)接口等組件技術(shù)目前尚未完全掌握。由此帶來(lái)了種種問(wèn)題，比如硅光芯片的制造工藝面臨著自動(dòng)化程度低、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；硅光芯片目前沒(méi)有適合的封裝方式，從光學(xué)封裝角度來(lái)說(shuō)，因?yàn)楣韫庑酒捎玫墓獾牟ㄩL(zhǎng)非常的小，跟光纖存在著不匹配的問(wèn)題，與激光器也存在著同樣的問(wèn)題；不匹配的問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致耦合損耗比較大，這是目前行業(yè)的一大痛點(diǎn)。

但是，隨著先進(jìn)制程工藝的發(fā)展空間越來(lái)越小，摩爾定律逐漸失效，越來(lái)越多的公司開(kāi)始投入硅光芯片的研制工作，就比如文章開(kāi)頭提到的臺(tái)積電和英特爾，雖然就目前的技術(shù)來(lái)看，指望硅光子技術(shù)徹底取代傳統(tǒng)芯片不太可能，但是光硅子技術(shù)某些特定領(lǐng)域（比如文中提到的量子通信和智能駕駛）的潛力巨大，甚至?xí)蔀槲ㄒ坏倪x擇。但是，最后筆者也想引用電學(xué)之父“邁克爾·法拉第“的一句話來(lái)做結(jié)尾：”一個(gè)剛剛出生的嬰兒有什么用呢？“