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整合光子與電子元件的半導體微芯片可加快資料傳輸速度、增進效能并減少功耗，但受到制程方面的限制，一直無法廣泛應用。自然（Nature）雜志刊登一篇由美國加州大學柏克萊分校、科羅拉多大學和麻省理工學院研究人員發(fā)表的論文，表示已成功利用現(xiàn)有CMOS標準技術(shù)，制作出一顆整合光子與電子元件的單芯片。 據(jù)HPC Wire網(wǎng)站報導，這顆整合7，000萬個電晶體和850個光子元件的芯片，采用商業(yè)化的45納米SOI CMOS制程制作，與現(xiàn)有的設計和電子設計工具均相容，因此可以大量生產(chǎn)。芯片內(nèi)建的光電發(fā)射器和接收器可讓微處理器和記憶體以光子直接和外接元件通訊，不需額外的芯片或裝置管理光學元件。 光子通訊的優(yōu)勢在于，可透過內(nèi)建的光線波導或外接光纖同時傳送以不同光色加密的資料流，并使用波長不到1微米（micron）的紅外線傳送高密度的光通訊封包，大幅增加頻寬。這顆新芯片每平方毫米的頻寬密度達 300 Gbps，是目前市面上電子微處理器的10~50 倍。 根據(jù)論文所述，制程包含作為電晶體和光學波導核心的晶矽層（crystalline-silicon layer）以及用于分隔晶矽層與矽承載晶圓（silicon-handle wafer）的薄埋氧化物層（buried-oxide layer）。 由于薄埋氧化物層的厚度小于200納米，易導致較高的波導損耗，為了控制光漏，研究人員移除芯片上的部份基板，并發(fā)現(xiàn)處理器功能并未受到影響。 此外，研究人員打造矽鍺光偵測器，并選擇1，180納米波長作為光纖通道，得到4.3 dB/cm的光傳播損耗。這個電光發(fā)射器由電光調(diào)變器（electro-optic modulator）和電子驅(qū)動組成，調(diào)變器為直徑10μm、與波導耦合的矽微型環(huán)共振器。 英特爾資深研究員Sadasivan Shankar認為，這項研究替目前面臨瓶頸的電晶體技術(shù)立下新的里程碑，使用光學元件進行芯片到記憶體的傳輸將可降低功耗并增加時脈。下一步的研究將以展示多波長通訊、改善光子元件以及開發(fā)新的系統(tǒng)應用為主。 半導體技術(shù)的精進讓芯片可執(zhí)行更多運算，但卻無法增加芯片間通訊的頻寬。目前芯片傳輸所消耗的功率已超過芯片功耗預算的20%，這項新技術(shù)不僅在低功耗的情況下改善一個數(shù)量級的芯片通訊頻寬，未來還可能協(xié)助達到百萬兆等級（Exascale） 的運算。 來源：Digitimes |
