研究人員采用標準的芯片制作技術將7000萬個晶體管和850個光學組件集成到硅處理器上。

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計算機設計人員一直幻想在微處理器之間用光（而非電子）進行數據傳輸。這種光學互聯可以克服電線固有的帶寬瓶頸問題，并充分利用處理器速度的提升。但需要解決的難題是，如何在同一硅片上結合兩種截然不同的技術（電子學與光子學）。

現在一群研究人員首次提出了在同一芯片上構建大量硅晶體管和光學組件的方法，且無須徹底調整芯片制造工藝。他們用這種方法造出了包含7000萬個晶體管和850個光子組件的集成電路，共同承擔處理器所需的邏輯、存儲和互連功能。

在連接兩個此類芯片（一個作為處理器，另一個作為存儲器）的測試中，使用外置激光器提供的單一波長的光，光學互聯實現了沿光纖每個方向上2.5吉字節/秒的數據率。增加帶寬與增加波長同樣簡單。雖然他們并未測試到這一地步，但芯片應能夠在同一光纖的每個方向上實現27.5吉比特/秒的傳輸速度。

參與這一項目的工程師們（分別來自麻省理工學院、加州大學伯克利分校和科羅拉多大學波爾得分校）發明了被他們稱為“零變化”的芯片制造方法。這種方法依靠當前制造計算機芯片的標準互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝，即2007年出現的所謂45納米節點的高性能制造工藝。麻省理工學院的孫辰（Chen Sun，音）說：“對這項工藝，我們未作任何改動。”

他們首先制作硅襯底；而后添加一層200納米厚的二氧化硅作為絕緣層；再上面是100納米厚的晶體硅活性層和100納米厚的氮化物層以及絕緣涂層。晶體硅包含少量鍺，從而對硅產生應力，提高電路速率。

孫辰說：“我們能夠利用這些現有層制造處理器。”他們設計的處理器采用了雙核RISC-V架構，這是一種最初由加州大學伯克利分校開發的開源指令集架構。另外還配備了1兆字節的固態隨機存取存儲器（RAM）。

這項工藝的關鍵是將一部分硅襯底蝕刻掉。由于氧化層太薄，光可透過氧化層到達硅襯底，造成損耗。去除襯底可減少這一損耗。即使芯片正面朝下安裝在打印的電路板上，但如果不使用硅，雖可利用外置激光器作為光學器件的光源，卻無法對整個芯片進行蝕刻。研究小組保留了微處理器和存儲器下方的硅，此處無光射出，從而可以安裝散熱器，冷卻處理器。

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芯片光子部分的真正核心是微環諧振器，一種耦合到波導中的直徑為10微米的環型器件。他們將晶體管p-n結使用的相同元素摻雜在結構中，從而形成陷波濾波器，該器件可以透過除單一波長光以外的所有入射光。在p-n結施加一個負電壓可將載流子推出微環諧振器，而施加正電壓時，載流子返回微環諧振器，從而形成將數字信號加載到光束上的調制器。

這種調制器可用于發送光編碼信號，但接收并將其轉為處理器可以處理的電子信號則需要使用光電探測器，此時微環也非常重要。通常，光電探測器由芯片中的硅鍺構成，長度必須介于幾毫米到1厘米之間，才有可能吸收足夠的光子來進行光探測。這太大了。但有了微環諧振器，光電探測器就可以大大縮短，因為光穿過多次，鍺硅合金可以吸收光并產生電子信號。

孫辰說，微環諧振器早已問世，但“業內人士似乎忽略了這種裝置”；這是因為它們變熱時，折射率會發生改變，微環諧振器就會慢慢偏離所需波長。

解決的辦法是形成有效的熱穩定性。穩定系統包括一個單獨的光電探測器和一個數字控制器。當探測器探測到光電流量出現變化時，控制器會改變整個微環的電壓。這會改變結構所散發的熱量，使其折射率恢復到正常值。

孫辰說，他位于伯克利的創業公司Ayar Labs希望能在幾年內實現這項技術的商業化，但有不止一位專家對此表示懷疑。南加州大學光子學中心電氣工程和物理學教授安東尼?列維（Anthony Levi）說，研究光電處理器的工程師們制造出能夠集成光子學和電子學的芯片是值得慶祝的，但是他懷疑這種方法是否實用。列維說：“硅光子學領域的挑戰依舊未變，這包括光損耗過大、功耗過高、芯片面積過大等等。”

他說，資助這項研究的美國國防部高級研究計劃局在硅光子學領域投入了“大量的科研經費”，但是企業和客戶的決定歸根結底還是以成本為導向，他們尚未接受這一新技術。列維說：“即使這項技術能夠發揮作用，要采取新的破壞性的方式建立系統也必須要有一個令人信服的理由。”

作者：Neil Savage