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運用現(xiàn)有芯片生成技術(shù)制造的光電子處理器誕生

據(jù)麻省理工學(xué)院2015年12月23日報道，研究人員基于現(xiàn)有的微芯片加工技術(shù)，制造出了以電子進(jìn)行計算、光傳遞信息的光電子微處理器。該研發(fā)團(tuán)隊由麻省理工學(xué)院、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校以及科羅拉多大學(xué)的科研人員構(gòu)成。

一直以來，人們對傳輸功率的需求日益劇增，而光通信就能做到這點。不僅如此，光通信還能大大降低芯片功耗。無需對現(xiàn)有半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行修改就能制造出光電子芯片，這一點使得光通信在計算機領(lǐng)域里越來越有吸引力。不過，這也讓科技創(chuàng)新更具有挑戰(zhàn)性。

麻省理工學(xué)院電子工程學(xué)教授Rajeev Ram介紹，“運用光子元件就需要重新考慮物理原理、進(jìn)行新的電路設(shè)計，知道以怎樣的成分和工藝生產(chǎn)出晶體管，從而用晶體管制作光電探測器、調(diào)光器、波導(dǎo)管、濾光片、光接口等。”光通信的物理原理，其實就是將數(shù)據(jù)編碼在不同波長的光束上在芯片內(nèi)傳輸、最后再解碼的過程。

這個光處理器只有850個光學(xué)元件和7千萬個晶體管，比之于傳統(tǒng)微處理器中數(shù)以十億的晶體管，雖然數(shù)量驟減但是功能強大，完全可以滿足光電芯片的商業(yè)用途。測試人員發(fā)現(xiàn)，事實上這些光子晶體管與同一生產(chǎn)線上用純電子輸入設(shè)備制造的晶體管基本上毫無分別。

計算器芯片在邏輯電路和存儲器中來回傳輸數(shù)據(jù)，而目前的芯片無法讓邏輯電路處理足夠多的數(shù)據(jù)從而充分利用它們不斷提升的處理速度。如果邏輯電路和存儲器是以電子傳輸數(shù)據(jù)相連，那么提升帶寬就會導(dǎo)致功耗增加，進(jìn)一步造成芯片的操作溫度升高到不穩(wěn)定的狀態(tài)。

光信號傳輸在原理上則更節(jié)能。不同于電信號傳輸，它的功耗不會隨著距離而陡增，因此適用于以米為量級的處理器互連，相較于微米級的互聯(lián)，它幾乎不損失任何性能。

研發(fā)人員的芯片交由一家名為GlobalFoundries的公司制造，該半導(dǎo)體公司使用絕緣體上硅技術(shù)，也就是在他們制造的波導(dǎo)中，在硅晶層上鍍二氧化硅層絕緣，然后將底下的硅刻蝕去除。硅和玻璃間折射率的不同就能使光線在波導(dǎo)管中傳播。

目前，使用現(xiàn)有的晶體管制造工藝來生產(chǎn)光子器件仍存在一些困難，因為晶體管的目的是在管子導(dǎo)通的時候傳導(dǎo)電流。但傳導(dǎo)性要求自由電子作載體，而自由電子趨于吸收光子，這會影響光信號的傳輸。

計算機芯片往往同時使用負(fù)極載體（電子）和正極載體（空穴）作為導(dǎo)電方式?！斑@就說明，不論什么情況下，總有某種辦法能把每種載體‘鎖定’，使之無法發(fā)揮作用，”Ram解釋，“我們要做的就是找到這種方法?！?/p>

在一塊光電芯片中，光信號總要在某些節(jié)點轉(zhuǎn)化為電信號，但與金屬表層接觸也會使得光數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生干擾。研究人員找到一種解決辦法，就是將金屬鍍在甜甜圈形的環(huán)形諧振器內(nèi)壁，這樣金屬就不會與諧振器外壁的光信號發(fā)生干擾，但如果加以電壓，它也可以使諧振器內(nèi)光子屬性發(fā)生變化，或使載有數(shù)據(jù)的光信號有所改變，達(dá)到在光信號和電信號間切換的目的。

研究人員表示，用這種環(huán)形諧振器制造的光探測器的感光性極高，即使是極短的信息輸送過程，也可將傳輸數(shù)據(jù)的能耗降低到皮焦耳（PJ）級別，或是目前純電子芯片能耗的十分之一。

（編譯：李星悅，審校：胡鵬）

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