硅光子晶元的時代將開啟，準備好了么？
來源：內容來自「經濟日報」
正處於後摩爾定律時代，未來如何解決半導體物理極限的議題，也許將電腦進化成光腦就能夠解決。
光腦是指用光子取代傳統的電子的電腦，IBM在2007年就已發展光子運算晶元，目前可分為光電混合電腦與純光子電腦。光電混合電腦使用雷射光脈衝傳輸資料，但部分晶元仍使用電子元件，故需要光電轉換，轉換過程中相對慢及耗能。
光子電腦不使用電子，改用光子加上折射鏡或分光鏡取代原有的邏輯閘來做資料傳輸及運算，比傳統電子傳遞過程會經過帶有電阻的電線而損耗，光子沒有質量、不須介質傳遞，更能以光速前進，一旦產生就不會額外耗能。光子傳遞甚至可以同時使用超過兩種不同波長的光來取代二進位訊號，大幅增加運算速度。
使用光來取代電子傳遞訊息時也並非沒有缺點，因為光波長難以壓縮，過長的波長限制晶元體積微縮的可能。為解決此問題，哥倫比亞大學研發一種光波導模式轉換的方法，在示範裝置中，超穎介面(metasurface)能讓傳遞的光波長縮短為空氣中波長縮小1.7倍，因此能縮小積體光學的大小。
光學裝置須要更精確的做工，因為光束傳輸的些微偏差會造成巨大的問題，相對需要高技術及高成本。惠普實驗室今年初宣布已開發一種光整合電路裝置，使用1,052種光學元件組成，用光的偏振性質編碼，比傳統晶元能更快速處理計算問題。光子電路也適合做深度學習，麻省理工學院的研究團隊發表奈米光子處理器，控制光波導讓光產生干涉條紋，來進行深度運算。光子電腦離要能實際應用，還有很多困難待克服，已有愈來愈多大廠投入研發，如惠普、IBM。從長遠看來，光子運算有助人工智慧革命，為社會帶來更重大改變。
光傳輸技術與光整合電路最重要
在所有的光子技術中，光傳輸技術與光整合電路為最重要的次世代的技術，未來將對醫療技術、光電感測、太陽能電池元件、遠紅外線光源及光顯示等應用產生革命性的影響。
市場研調機構Credence預估，光整合電路在2020年時的全球產值將達到13億美元，2015年至2020年產值年複合成長率高達25.2%。MarketsandMarkets更指出，未來光子技術在電信傳輸與資料傳輸等應用將成長最快，將於2020年達到200萬美元，而消費性電子的光子技術應用也值得關注，預計在2020年產值也將達到150萬美元。
光子因不具有電荷與質量，擁有低能量耗損與不容易受到外界干擾的特性，能夠解決半導體在不斷微縮過程中，元件與導線的距離縮短導致電磁干擾導致操作延遲、能源損耗等相關的問題。因此光子成為後摩爾定律時代中新興的重要技術。歐盟在2009年歐盟所提出Key Enabling Technologies（KETs）的五項技術，即包含光子技術。光子技術的節能特徵，將隨著倍數增加的運算、儲存需要而變得日益重要，各國也紛紛投入相關研究計劃支持。
歐盟第七期框架計劃就透過科技補助支持CMOS整合光電子技術(HELIOS)研究、光子製造技術平台（PLAT4M）等計劃，協助將光子整合電路技術從科學研究變成商業產品並形成產業。進入歐盟第八期歐盟框架計劃階段（Horizon 2020），歐盟將光子技術的研發分為先進技術研究與產業技術研究，主要目的是探索光子先進技術，保持歐洲在光子技術上的領先；還有透過公私夥伴協力的方式，加速光子技術的產業發展。
美國在先進位造夥伴2.0計劃預計以尖端製造業再復興創造美國的經濟發展，提出15個創新研究中心，包含光整合電路創新中心，由紐約州立大學與美國能源局共同負責營運。該創新中心主要提供光整合電路的標準化平台，協助光子技術的產業擴散，將串聯設備製造商、材料供應商、軟體供應商、光整合電路生產商與研究者，透過多方合作，加快光子技術的產業化進程。美國國家科學基金會、美國國家航空暨太空總署等也投入光子尖端技術研發，包含LiDar技術、光處理器、先進醫療光感測器、多光雷射等。
日本經濟產業省與新能源產業技術綜合開發機構在2012年展開十年的光電子融合基礎技術研究，以確保日本在後摩爾時期，能在光整合電路相關技術上保有領先優勢。至於前瞻光子技術的部分，日本文部科學省於2016年揭露研究目標與戰略分項所展開的拓璞量子戰略，將量子運算、自旋電子學與光子技術列於重點技術，將於未來投入發展光子新的理論、使用單向傳播光波導的光整合電路、光學儲存設備、高功能單模雷射和向量光束。
中國大陸投入光子技術包含兩個部分：光通訊的技術追趕與光子技術彎道超車。在技術追趕部分，透過全國電子光學系統十三五標準化發展規劃，設立光子技術標準，透過制定標準提升產業技術。國家重大科學研究計劃則建立自主的硅光子技術與研發平台，透過中科學、大學與產業的合作，擬在關鍵的高性能的微奈米電光元件及其整合技術上，實現光子技術的彎道超車。光子技術是兼具科技前瞻性與市場應用性的技術，從產值估測可以得知，未來幾年光子技術應用將逐漸深入生活。因此各國無不投入研發資源，期望透過產官學研的資源整合，搶佔光子技術未來商機與機會。
技術面面觀
光子晶元主要是將無數個光學系統整合在晶元上，就如同現今的半導體晶元，但將利用超微透鏡取代電晶體並以光子來進行運算。光子晶元與傳統的半導體晶元相比，具有更高的運算效率以及訊息傳輸量，也兼具耗能低、運行過程中產生較少的熱，所以無須複雜的散熱設計等優點，因此被認為在未來可延續摩爾定律，傳承舊有硅晶元的發展。
在眾多光子技術中，硅光子及其相關技術憑藉其使用成本較低的硅與硅基襯底材料，並結合既有且技術成熟的CMOS技術，使其極其受到青睞，自2015年IBM公司研製硅光學晶元後，使該技術呈現爆髮式的成長，並使該技術自實驗室走入市場，吸引微軟、亞馬遜及Facebook等公司的青睞，因為這些公司的數據中心常在雲端資料連結並處理巨量的資料時，受限於傳統的銅線以及低速光纖的傳輸量，造成運行效率低落。
而硅光子技術的發展，將可有效解決此問題，以2016年Intel硅光100G PSM4 QSFP、以及Intel硅光100G CWDM4 QSFP所推出的收發器產品。憑藉著其微型、高速、低功耗的特性，可有效解決目前數據交換瓶頸及能耗問題，該產品整合雷射與硅光子元件，透過調變技術，資訊傳輸速度可達每秒100GB，是傳統銅線傳輸的四倍，這將解決令各數據中心在運算能力上陷入困境的網路瓶頸。但硅光子技術的應用不僅如此，包含高速電腦、感測器、生命科學、量子運算等高階應用，以及自駕車應用的光學雷達等需要大量交換資訊應用，也將受惠於該技術的發展。
在投入廠商方面，除Intel、IBM、思科、Imec等，因硅光子技術涵蓋半導體技術與光學技術，加上此技術帶來大量數據或訊息交換的應用，將會改變傳統通訊產業運作模式，Mellanox 、Luxtera等光通信公司及設備商華為等公司皆投入相關研究。
TAG:吾愛IC |