运用现有芯片生成技术制造的光电子处理器诞生



运用现有芯片生成技术制造的光电子处理器诞生

据麻省理工学院2015年12月23日报道，研究人员基于现有的微芯片加工技术，制造出了以电子进行计算、光传递信息的光电子微处理器。该研发团队由麻省理工学院、加利福尼亚大学伯克利分校以及科罗拉多大学的科研人员构成。

一直以来，人们对传输功率的需求日益剧增，而光通信就能做到这点。不仅如此，光通信还能大大降低芯片功耗。无需对现有半导体生产技术进行修改就能制造出光电子芯片，这一点使得光通信在计算机领域里越来越有吸引力。不过，这也让科技创新更具有挑战性。

麻省理工学院电子工程学教授Rajeev Ram介绍，“运用光子元件就需要重新考虑物理原理、进行新的电路设计，知道以怎样的成分和工艺生产出晶体管，从而用晶体管制作光电探测器、调光器、波导管、滤光片、光接口等。”光通信的物理原理，其实就是将数据编码在不同波长的光束上在芯片内传输、最后再解码的过程。

这个光处理器只有850个光学元件和7千万个晶体管，比之于传统微处理器中数以十亿的晶体管，虽然数量骤减但是功能强大，完全可以满足光电芯片的商业用途。测试人员发现，事实上这些光子晶体管与同一生产线上用纯电子输入设备制造的晶体管基本上毫无分别。

计算器芯片在逻辑电路和存储器中来回传输数据，而目前的芯片无法让逻辑电路处理足够多的数据从而充分利用它们不断提升的处理速度。如果逻辑电路和存储器是以电子传输数据相连，那么提升带宽就会导致功耗增加，进一步造成芯片的操作温度升高到不稳定的状态。

光信号传输在原理上则更节能。不同于电信号传输，它的功耗不会随着距离而陡增，因此适用于以米为量级的处理器互连，相较于微米级的互联，它几乎不损失任何性能。

研发人员的芯片交由一家名为GlobalFoundries的公司制造，该半导体公司使用绝缘体上硅技术，也就是在他们制造的波导中，在硅晶层上镀二氧化硅层绝缘，然后将底下的硅刻蚀去除。硅和玻璃间折射率的不同就能使光线在波导管中传播。

目前，使用现有的晶体管制造工艺来生产光子器件仍存在一些困难，因为晶体管的目的是在管子导通的时候传导电流。但传导性要求自由电子作载体，而自由电子趋于吸收光子，这会影响光信号的传输。

计算机芯片往往同时使用负极载体（电子）和正极载体（空穴）作为导电方式。“这就说明，不论什么情况下，总有某种办法能把每种载体‘锁定’，使之无法发挥作用，”Ram解释，“我们要做的就是找到这种方法。”

在一块光电芯片中，光信号总要在某些节点转化为电信号，但与金属表层接触也会使得光数据传输发生干扰。研究人员找到一种解决办法，就是将金属镀在甜甜圈形的环形谐振器内壁，这样金属就不会与谐振器外壁的光信号发生干扰，但如果加以电压，它也可以使谐振器内光子属性发生变化，或使载有数据的光信号有所改变，达到在光信号和电信号间切换的目的。

研究人员表示，用这种环形谐振器制造的光探测器的感光性极高，即使是极短的信息输送过程，也可将传输数据的能耗降低到皮焦耳（PJ）级别，或是目前纯电子芯片能耗的十分之一。

（编译：李星悦，审校：胡鹏）

编译自： ScienceDaily, 23 December 2015. ＜www. sciencedaily.com/releases/2015/12/151223221524.htm＞.