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今年7月，由澳大利亞科學家領導的國際團隊開發(fā)了第一個自校準光子芯片，可以改變數據高速公路上的橋梁，改變當前光學芯片之間的連接，提高數據傳輸速度，有望促進人工智能和自動駕駛汽車的發(fā)展。最新的研究發(fā)表在《自然》中·雜志《光子學》。

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什么是光子芯片？它和普通芯片有什么區(qū)別？有哪些優(yōu)點和技術難點？將在哪些領域應用？本文將逐一回答上述問題。

光子芯片應運而生

1959年，仙童是美國著名的半導體制造商（Fairchild Semiconductor）平面型集成電路首先推出，其次是1961年。這種平面制造工藝用于研磨非常平的硅片 二極管、三極管、電阻電阻、電容等半導體電路元件的光刻技術。只要光刻的精度不斷提高，元器件的密度就會相應提高，從而具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼耍�平面工藝被認為是整個半導體的工業(yè)鍵

1965年，英特爾(Intel)戈登是創(chuàng)始人之一·摩爾(Gordon Moore)提出摩爾定律。其內容是：當價格保持不變時，集成電路上可容納的部件數量每18-24個月增加一次，性能增加一次。換句話說，每美元能買到的計算機性能將每18-24個月翻一番以上。這一定律揭示了信息技術進步的速度。

半個多世紀以來，半導體行業(yè)一直遵循摩爾定律（Moore's law）隨著軌跡的快速發(fā)展，半導體工藝節(jié)點已經到來nm，借助于EUV光刻等先進技術正在向2發(fā)展nm甚至更小的節(jié)點演變，每進步1nm所有這些都需要付出巨大的努力，單純依靠改進技術來提高芯片性能的方法已經不能完全滿足時代的需要，主要體現在：

以電子為載體的技術發(fā)展已接近物理極限。目前，集成電路以硅為基礎，硅原子直徑約為0.22納米。當工藝降至7納米以下時，容易出現電涌和電子突破問題，即難以完美控制電子。雖然代表世界頂級水平的臺積電仍在不斷開展3納米和2納米的技術研發(fā)和產能投資，但業(yè)內人士普遍認為，集成電路的尺寸最多將在2030年達到物理極限，迫切需要尋找創(chuàng)新發(fā)展的出路；

2、當電子芯片尺寸降到極致時，就會出現功耗墻問題。例如，巨大的能耗壓力是計算機發(fā)展的最大技術障礙之一。盡管國內外學術界和工業(yè)界做出了巨大努力，但由于CMOS半導體的功耗密度已接近極限，因此必須尋找新的途徑、新的結構、新的材料；

3、在過去的幾十年里，處理器的性能每年以55%左右的速度提高，而內存性能的提高速度約為每年的10%。經過長期積累，不平衡的發(fā)展速度導致當前內存訪問速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪問存儲瓶頸使得高性能處理器難以發(fā)揮應有的作用；

在提高電子芯片性能的同時，性價比也在下降。業(yè)內普遍認為，28納米是芯片性價比最高的尺寸。根據SEMI采用國際半導體產業(yè)協會芯片主流設計成本模型圖FinFET（FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor，5納米芯片的設計成本是28納米工藝設計成本的近8倍，更為復雜GAA（Gate-all-around，結構的設計成本只會更高，這只是芯片設計、制造、包裝、測試的設計環(huán)節(jié)。在制造過程中，研發(fā)、建廠和購買生產設備將花費更多資金。例如，三星計劃在德克薩斯州新建的5納米晶圓廠預計將投資170億美元。

半導體行業(yè)逐漸進入后摩爾時代，高計算能力和低功耗的光子芯片應運而生。

光子芯片和電子芯片

電子芯片通常是指含有集成電路的傳統芯片，體積小，通常是計算機或其他設備的一部分。它是電子設備中最重要的部分，具有完成操作、處理任務和控制存儲的功能。計算機、手機、電視和各種智能電子產品都與芯片不可分割。

光子芯片采用光波作為信息傳輸或數據操作的載體，是指依靠集成光學或硅光電子中介質光波導（介質裝置引導光波傳輸）傳輸導模（導模是指光波限制在圓柱形（光纖）向前傳輸）光信號、光信號和電信號在同一襯底或芯片上集成的技術。

電子芯片使用電流信號作為信息載體，而光子芯片使用更頻繁的光波作為信息載體。與電子集成電路或電互聯技術相比，光子集成電路和光互聯顯示出較低的傳輸損耗、較寬的傳輸帶寬、較小的時間延遲和較強的抗電磁干擾能力。此外，光互聯還可以通過使用更多的方式來提高傳輸媒體中的通信容量。

從國家戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)略需求的角度來看，光子芯片可以解決數據處理時間長、實時處理、功耗高等諸多關鍵問題。例如，在長距離、高速運動目標測距、速度測量和高分辨率成像激光雷達中，光子芯片可以發(fā)揮其高速平行、低功耗、微型化的優(yōu)勢。

此外，AI光子芯片是一種高度匹配光計算架構和人工智能算法的芯片設計，廣泛應用于自動駕駛、安全監(jiān)控、語音識別、圖像識別、醫(yī)學診斷、游戲、虛擬現實、工業(yè)物聯網、企業(yè)服務器和數據中心等關鍵人工智能領域。

類腦光子芯片可以模擬人腦的計算，通過光子攜帶信息在模擬大腦的神經網絡框架下處理數據，使芯片像人腦一樣高速、平行、低功耗。基于微納光子集成Kionix代理基于光學計算的光子芯片神經網絡數據處理系統是應對未來低功耗、高速、寬帶寬和大數據信息處理能力的關鍵。

挑戰(zhàn)

光子芯片是一種基于硅的激光技術。它將磷化鎵的發(fā)光屬性和硅的光路由能力集成到一個單一的混合芯片中。當給磷化鎵施加電壓時，光進入硅波導，產生連續(xù)的激光束，可以驅動其他硅光子設備。雖然硅光子學有很大的前景，但該技術也面臨著許多挑戰(zhàn)：

1.由于硅有非直接間隙，發(fā)光效率很低。基于硅的激光器或放大器不能與其他基于硅的激光器或放大器相匹配GaAs或InP激光器或放大器(磷化鎵)堪比；

2.硅的帶隙也很大，波長接近1300nm、1500nm波長的光；

硅具有二級非線性(二級非線性光學效應是非線性光學晶體材料的關鍵性能)，因此無法制造電光調制器；

4.芯片上的激光光源難以散熱；

5.光學連接器精度要求高，量產難以實現。

最新的研究進展

文章開頭提到的自校準光子芯片通過快速可靠的重編程技術加快了搜索速度，搜索速度是許多應用的重要屬性，如醫(yī)療診斷、自動駕駛車輛和互聯網安全。

本研究的一個關鍵挑戰(zhàn)是將所有光學功能集成到一個可以插入現有基礎設施的設備中。研究團隊提出的解決方案是在芯片制造后校準芯片，即使用集成參考路徑而不是外部設備校準芯片，這提供了撥號所需的所有設置和開關功能。

阿瑟，莫納什大學·洛厄里教授說，校準可編程光子濾波器芯片，使可調光子集成電路廣泛應用于多個領域，如根據光通信系統的顏色交換信號、快速相關器（相關接收器，即利用干擾和噪聲工具的信號相關特性）、化學或生物分析甚至天文學科學儀器等。