研究人员开发出一种制造硅芯片的方法，这种芯片能够利用光进行通信，且成本不高于现有芯片技术。
这项能够以光学方式传输数据的新型微芯片技术，有望解决当前设备中的一个严重瓶颈，将数据传输速度提升并将能耗降低几个数量级。
当前微电子芯片之间的电信号传输瓶颈，使光通信成为技术进一步发展仅剩的少数选择之一。传统的数据传输方式——电线——在传输速度和传输距离上都存在限制，而且耗电量大并会产生热量。随着电子产品对更高性能和更低功耗的持续需求，这些限制已经接近极限。但借助这一新进展，该瓶颈是可以解决的。
“用一根光纤替代一根传输约10吉比特每秒的导线，就可以让单根光纤传输10至20太比特每秒——因此在相同占用空间内可提升上千倍，”波士顿大学电气与计算机工程助理教授米洛什·波波维奇（Milos Popovic）说道。他是该研究的主要负责人之一，其团队此前任职于科罗拉多大学博尔德分校，部分研究工作即在该校完成。
“如果用光纤取代导线，有两方面的优势，”他说，“首先，利用光，可以在高频率下传输数据，而不会像铜线那样产生明显的能量损耗。其次，借助光学技术，一根光纤中可以使用多种不同颜色的光，每种颜色都能承载一条数据通道。与铜线相比，光纤还可以更紧密地排列在一起，且不会产生串扰。”
制造难题
过去，一项制造障碍阻碍了将光子功能集成到计算机和智能手机所用的先进芯片上的进展。高度发达的工业半导体制造工艺能够在一块芯片上刻印出十亿个协同工作的晶体管，这使现代处理器成为可能。然而，这些制造工艺经过精密调校，要在芯片上加入光学器件，同时保持现有电子功能完好无损，这一设计方法被证明十分困难。
克服这一障碍的第一个重大突破出现在2015年，当时同一研究团队在《自然》上发表了一篇论文，解决了这一问题，但其应用仅限于有限的商业相关场景。
该论文展示了全球首个具备光子数据传输能力的微处理器，以及在不改变工业制造工艺的前提下生产该处理器的方法——研究人员将这一理念称为“零改动技术”。Ayar Labs公司是一家初创企业，波波维奇是其联合创始人兼技术顾问，该公司近期已与主要半导体行业制造商格芯（GlobalFoundries）合作，推动这项技术的商业化。
尽管这一初步方案有望产生显著的商业影响，尤其是在数据通信领域，但由于其起始材料——绝缘体上硅——成本高昂，其最终适用范围受到限制。为开发适用于所有硅基微电子器件的解决方案，研究人员需要将精力集中于使用主流且低成本的起始衬底——体硅。体硅是制造大多数常见微芯片的材料，笔记本电脑和智能手机中的芯片即采用这种材料。绝缘体上硅的性能高于体硅，但成本明显更高，因此主要用于某些高端微处理器。
体硅的优势
体硅与绝缘体上硅的区别在于，后者在一薄层硅的正下方设有一层绝缘体（通常是纯度极高的玻璃），而前者则没有。玻璃起到阻挡光粒子的作用，使光被限制在器件内的光波导中。若没有这一玻璃阻挡层，光信号就会丢失。
在最新的论文中，同样发表于《自然》，研究人员提出了一种制造方案，即在体硅芯片的光子处理部分引入一组新的材料层。他们证明，这一改动可以在不影响电子功能的情况下实现光通信。
研究人员与纽约州立大学奥尔巴尼分校纳米科学与工程学院的工业半导体制造研究人员合作开发该方案，科学家们由此确保所开发的任何工艺都能无缝融入当前的产业级制造流程。
这一成果完成了一个历时数年的项目，该项目最初由加州大学伯克利分校电气工程副教授弗拉基米尔·斯托贾诺维奇（Vladimir Stojanovic）领导。近期，麻省理工学院电气工程教授拉吉夫·拉姆（Rajeev Ram）接手领导了这项工作。斯托贾诺维奇和拉姆均为波波维奇在该项目中的合作者。
“通过仔细研究并优化光子器件附加材料层的特性，我们在带宽密度和能耗方面实现了系统级的先进性能，同时起始工艺成本远低于相互竞争的技术，”论文的共同第一作者、波波维奇研究团队的前博士后研究员法比奥·帕瓦内洛（Fabio Pavanello）说道。他在该项目中主导了光子发射器件设计和芯片组装工作。
这一新平台将光子技术引入先进的体硅微电子芯片，有望实现更快速、更节能的通信，从而极大地提升计算和移动设备的性能。除传统数据通信外，其应用还包括加速图像和语音识别任务中所用的深度学习人工神经网络的训练，以及用于自动驾驶汽车、智能手机人脸识别和增强现实技术的低成本红外激光雷达传感器。
此外，支持光学功能的微芯片可能带来新型数据安全与硬件认证方式，为运行于第五代（5G）无线网络的移动设备提供性能更强的芯片，并为量子信息处理与计算提供相关组件。
该研究由美国国防高级研究计划局（DARPA）资助。
