“未来芯片“——硅光子技术

近期，随着芯片代工巨头和先进制程领跑者台积电宣布联手英特尔押注硅光子芯片，这种被业内人士普遍好看的“未来芯片”，硅光子芯片进入了大众的视野。虽说目前看来硅光芯片也许在未来一段时间内不会全面代替传统的芯片，但是在通信领域，很可能是未来的主流产品类型。特别是对于我国来说，在先进制程的芯片制造领域频频被西方世界“卡脖子”的情况下，硅光子芯片很有可能是绕过光刻机，实现换道超车的“出路”之一。

纵观芯片发展的历史，总是离不开一个人们耳熟能详的概念——“摩尔定律“。即：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。但是随着芯片制程的不断进步，单个元器件越来越小，逐渐逼近物理极限，摩尔定律似乎不太好用了，芯片内部的互连线所引起的各种微观效应成为影响芯片性能的重要因素，而芯片互连是目前的技术瓶颈之一，就好比我们的公路，当道路的宽度逐渐逼近上面行驶的汽车，就会越来越难以在上面行驶。当芯片越做越小时，互联线也需要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的各种量子效应也会越来越影响电路的性能。

那么，到底什么是硅光子芯片呢？顾名思义，硅光子芯片就是利用硅光技术实现的一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备。被业界认为是延续摩尔定律发展的技术之一。常见的互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管等，而这些材质的互连线无疑都会遇到物理极限，而光互连则不然。硅光子技术采用的基础材料是玻璃。由于光对于玻璃来说是透明的，不会发生干扰现象，因此理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号，很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。在光互连中，最大的优势就是其超高速的传输速度，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。但是，作为下一代的半导体技术，其技术本身的起步已很早就开始了。早在上世纪九十年代，就提出了有关的一些概念，是为了在芯片发展到物理极限后取而代之，以延续摩尔定律。21世纪初开始，以Intel和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。

目前来看，硅光芯片主要有三大优势：集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异。

首先，对于硅光芯片来说，其衬底依旧是目前最成熟的硅，但是芯片间的互连采用更加紧凑的光来完成，与传统方案相比，硅光子技术具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度；

其次，硅光子芯片的基础材料不需要传统先进芯片的GaAs/InP衬底，只需要硅基材料即可，一旦大规模生产，芯片成本将会得以大幅降低；

最后，硅的禁带宽度为1.12eV，对应的光波长为1.1μm。因此，硅对于1.1-1.6μm的通信波段（典型波长1.31μm/1.55μm）是透明的，具有优异的波导传输特性。此外，硅的折射率高达3.42，与二氧化硅可形成较大的折射率差，确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。

还有一点很值得注意，就是对于我国目前的半导体产业来说，硅光子芯片有它独有的优势——可以避开先进光刻机的掣肘。虽然它在制作流程和复杂程度上同传统芯片相似，但是它对于制程工艺的先进程度要求不高，不像传统芯片那样制程和能效的关联性巨大，一般百纳米级的工艺水平就能满足硅光子芯片的要求，这对于我国来说，120纳米左右的芯片是完全可以自主生产的，这样就可以绕开先进制程工艺的限制，在未来实现换道超车。

在未来硅光芯片的应用场景也十分广阔，特别是在智能驾驶和量子通信领域，硅光芯片都有着很大的潜力。先说在智能驾驶方面，目前在高速发展并且应用广泛的车载激光雷达技术（LiDAR）各位车主估计已经见怪不怪了。车载激光雷达技术需要多路激光发射和接收，所以对于多路信号控制十分依赖，这恰恰是硅光芯片的优势，高度集成性和电光效应相位调谐能力使得它非常适宜在车载激光雷达上取代传统芯片并得以应用。目前有MIT、OURS等多个团队推出基于硅光的车载激光雷达产品，随着无人驾驶、辅助驾驶应用逐步成熟，LiDAR有望成为硅光重要应用领域。

如果说在智能驾驶方面，硅光芯片的优势还不算明显，那在量子通信方面就是硅光芯片的主场了。众所周知，量子通信的前提是制造纠缠态的光子并对其操纵控制，这是对于光的把握，是硅光芯片最擅长的领域。北大团队2018年3月在Science上发表了基于硅光的量子纠缠芯片的设计。在其中我们看到了量子通信在未来的军事、金融、数据中心加密等保密领域有着颠覆性的优势，而基于硅光的量子通信芯片有望成为未来重要的技术方案。就目前而言，硅光子技术商业化较为成熟的领域主要在于数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等光连接领域，800G及以后硅光模块性价比较为突出。在可预见的未来，硅光芯片将支撑大型数据中心的高速信息传输，据LightCounting预测，2022年800G光模块会逐步起量，预计到2024年规模将超过400G光模块市场，达70亿美元。

说了这么多硅光子技术的优势，这项技术有没有缺点呢？当然世界上没有十全十美的事物，要是硅光子技术是完美的，那么我们现在大规模普及的就应该是硅光芯片了。那么对于硅光子技术，它最大的问题就在于硅光子芯片需要的器件多，而且目前仍有很多相关技术难题未解决：如陶瓷套管/插芯、光收发接口等组件技术目前尚未完全掌握。由此带来了种种问题，比如硅光芯片的制造工艺面临着自动化程度低、产业标准不统一；硅光芯片目前没有适合的封装方式，从光学封装角度来说，因为硅光芯片所采用的光的波长非常的小，跟光纤存在着不匹配的问题，与激光器也存在着同样的问题；不匹配的问题就会导致耦合损耗比较大，这是目前行业的一大痛点。

但是，随着先进制程工艺的发展空间越来越小，摩尔定律逐渐失效，越来越多的公司开始投入硅光芯片的研制工作，就比如文章开头提到的台积电和英特尔。虽然就目前的技术来看，指望硅光子技术彻底取代传统芯片不太可能，但是光硅子技术某些特定领域（比如文中提到的量子通信和智能驾驶）的潜力巨大，甚至会成为唯一的选择。但是，最后笔者也想引用电学之父“迈克尔·法拉第”的一句话来做结尾：“一个刚刚出生的婴儿有什么用呢？”