美國公布光電晶元量產計劃！數據傳輸千倍提速或加劇中美晶元差距

導語：最近，來自Nature的一篇論文報道，一種能夠實現光學數據傳輸的新型微晶元技術在美國研發成功。這種新型晶元可以加速數據傳輸，並能減少多個數量級的能量消耗，從而解決當前電子設備中的嚴重瓶頸問題。

來自波士頓大學，麻省理工學院，加州大學伯克利分校和科羅拉多大學博爾德分校的研究人員開發出了一種製造光學通信硅晶元的新方法，更難得的是這種新技術還不比現有技術成本高。

該項目是由加州大學伯克利分校的副教授Vladimir Stojanovic、麻省理工學院的教授Rajeev Ram和波士頓大學的助理教授Milos Popovic領導下的三方團隊共同合作研究的，這次的研究成果將他們這項由美國國防部高級研究計劃署資助的為期數年的項目推向了高潮。同時，項目研究團隊還在與紐約州立大學納米科學與工程學院的半導體製造研究團隊合作。

目前限制微電子晶元技術發展的主要瓶頸之一就是電信號瓶頸。在此影響之下，光通信成為了下一代技術進步的方向之一。傳統的電線數據傳輸方法不僅對傳輸數據的速度有著很大限制，而且還有著耗能過大，以及衍生出的嚴重發熱問題。隨著電子產品對高性能和低功耗的不斷要求，這些問題已經越發地突出了。但是，藉助這項新的技術，這一瓶頸就可以得到妥善解決。

Popovic表示：「原先每條電線的傳輸速度是10到100千兆比特每秒，而我們的新技術可以讓每條光纖每秒傳輸10到20太比特——速度多出了千倍不止。」

「用光纖替換電線有兩大優勢，」他說。「首先，光學數據傳輸可以發送更高頻率的數據，而不會像電線傳輸那樣顯著損耗高頻信號的能量；其次，利用光學原理，一根光纖中可以傳輸多種不同顏色的光線，並且每道光線都是一條數據通道。而且。與沒有串擾的銅線相比，光纖還可以更緊密地包裝在一起。「

過去，在計算機和智能手機中應用在光學集成晶元上的最大阻礙是技術限制。但是現在，隨著工業半導體製造工藝的高度發展，相關製造廠商已經能夠在一個晶元上衝壓出10億個晶體管，之前的技術阻礙當然也就不復存在了。但是，想要製造光學集成晶元，研究人員還需要對相關製造工藝進行一些精細調整，並設計一種將光學器件嵌入晶元，同時還能保持晶元電氣性能不變的方法。

針對這一問題，研究人員開始了長時間的艱苦研發。第一個主要成果發生在2015年。當時研究人員其實已經解決了這個問題，也在Nature上發表了另一篇文章，展示了他們研製出的世界上第一個具有光子數據傳輸能力的微處理器，只是還沒有解決量產化的成本問題。

然而，先前的這種方法只適用於一小部分最尖端的微電子晶元的生產，要使用一種被稱為「體硅」的特殊材料。

在最近的這篇新論文中，研究人員提出了基於塊狀硅的商業應用級晶元的製造解決方案：在硅晶元的光學處理部分引入一套新的材料層。他們的研究結果表明，這種改變能使光通信不會對電子產生負面影響。通過與紐約州立大學的半導體團隊合作開發該解決方案，科學家們已經能確保他們研發的任何工藝都能妥善移植到工業製造中了。

「通過仔細研究用於光學器件附加材料層的性能，我們設法在帶寬密度和能耗方面進行了優化；現在我們的晶元在這些方面的性能都是最先進的，而且我們採用的工藝成本也很低，這就增強了市場競爭力。「Popovic研究小組的前博士後成員Fabio Pavanello如是說，他與麻省理工學院的研究科學家Amir Atabaki和加州大學伯克利分校的研究生Sajjad Moazeni並列為這篇論文的第一作者。Atabaki補充說：「我們這三個來自不同學科的團隊進行了多年的合作，以實現這一目標，現在，我們終於得遂所願。」

研究團隊選擇與全球知名的半導體製造商GlobalFoundries合作，以生產這種應用光學技術的新型大容量微電子晶元。新供應商承諾將為公眾提供更快速，更節能的通信，大大提高移動設備的計算性能。此外，他們聲稱這種採用光學技術的微晶元還能夠實現新型數據安全和硬體認證，為未來採用5G無線網路的移動設備提供更強大的晶元，以及用於量子信息處理、計算的組件。

「想要將晶體管尺寸限制在20納米下，除了這種方法外，還沒有其他方式可以集成光子。」Vladimir Stojanovic總結道，「以現在的技術，製成晶體管的材料層往往太薄，不能支持光學信息傳播，因此我們需要額外的層來支持。」

美國光電晶元商業化量產啟動在即，硬體技術再次實現巨大飛躍，中美貿易戰烽煙四起，而中興事件暴露出中國的硬體仍缺少核心技術，在越來越大的差距面前，中國如何打破高端晶元全靠進口的尷尬局面，還有很長的路需要探索。

編輯 | 褚茗帆

審校 | 楊子彤 Soybean

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