内置光子互连处理器

芯片设计师会我喜欢用光束而不是铜线在微处理器之间移动数据。这样的光学互连将克服电线固有的带宽瓶颈，并充分利用处理器速度的飞跃，但结合两种截然不同的技术——电子和光子学——一直是一个需要克服的巨大障碍。

现在，一组研究人员提出了一种在同一芯片上制造晶体管和光学器件的方法，这是第一次在没有对芯片制造过程进行重大改革的情况下做到这一点。他们用它构建了一个包含7000万个晶体管和850个光子元件的IC，它们共同提供了处理器所需的所有逻辑、内存和互连功能。

麻省理工学院(MIT)、加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)和科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado, Boulder)的工程师们成立了一家初创公司，将他们所谓的“零变化”芯片制造方法商业化。它依赖于用于制造当今计算机芯片的标准CMOS工艺，特别是所谓的高性能工艺2007年首次亮相的45纳米节点．“我们没有对这一过程做任何改变，”陈孙说，他是一篇关于这一过程的论文的主要作者这周的自然杂志。。

他们从硅衬底开始，然后添加了一层200纳米厚的氧化硅，作为绝缘体。上面是活性层——100纳米的晶体硅——加上100纳米的氮化物层和电介质涂层。晶体硅中含有少量锗在硅上产生应变加快电路的速度。

“我们能够使用这些现有的层来制造我们的处理器，”Sun说。他们设计的处理器是双核的RISC-V架构-最初在伯克利开发的开放指令集架构。它还包括1兆字节的SRAM内存。

芯片光子学部分的一个关键部件是micro-ring谐振器一个直径10微米的环路，与波导耦合。他们在这种结构中加入了晶体管中制造p-n结的相同元素，这样就产生了一个陷波滤波器，它可以通过所有入射光，但只有一个波长。在结上施加负电压将载流子推出环外，而正电压则将载流子返回，从而形成一个调制器，将数字信号印在光束上。

微环也让光电探测器工作。通常情况下，由芯片中的SiGe制成的光电探测器必须有许多毫米到一厘米长，才能有机会吸收足够多的光子来探测光线。使用微环谐振器，光通过多次，SiGe可以吸收它。

微环谐振器已经存在了一段时间，但“很多业内人士都忽视了它们，”孙说。这是因为当它们加热时，折射率会发生变化，它们会偏离所需的波长。该团队开发了主动热稳定技术来克服这一问题。该稳定系统包括一个独立的光电探测器和一个数字控制器。当探测器注意到到达它的光电流量发生变化时，控制器就会改变微环上的电压，从而改变微环散发的热量。

设计的另一个方面需要蚀刻掉一些硅衬底。因为氧化层很薄，光穿过它到达基板，基板把它带走了。去除基板可以减少这种损失。然而，该团队将硅留在微处理器和存储器下面，那里无论如何都没有光出来，所以他们可以安装一个散热器。硅的缺乏也使它们能够从外部激光器传输光来为光学元件供电，即使芯片是正面朝下连接在印刷电路板上的。

孙说他的创业公司，Ayar实验室该公司希望能在几年内将这项技术商业化，但至少有一位专家对此表示怀疑。安东尼·李维他是芝加哥大学电气工程和物理学教授南加州大学光子学中心他说，参与光电处理器的工程师们制造了集成了光子学和电子学的工作芯片，值得祝贺，但他怀疑这种方法是否可行。李维说:“硅光子学的挑战一直都是一样的:这包括太多的光学损耗、太多的功耗、太多的芯片面积等等。”

他说联邦政府国防高级项目研究局该公司已经在硅光子学领域投入了“大量宝贵的研究资金”，但业界和客户并不买账，他们的决定都取决于成本。李维说:“即使技术可行，也必须有令人信服的理由来采用一种新的、颠覆性的方法来构建系统。”