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硅光子芯片的时代即将开启

导读: 正处于后摩尔定律时代,未来如何解决半导体物理极限的议题,也许将电脑进化成光脑就能够解决。

正处于后摩尔定律时代,未来如何解决半导体物理极限的议题,也许将电脑进化成光脑就能够解决。

光脑是指用光子取代传统的电子的电脑,IBM在2007年就已发展光子运算芯片,目前可分为光电混合电脑与纯光子电脑。光电混合电脑使用雷射光脉冲传输资料,但部分芯片仍使用电子元件,故需要光电转换,转换过程中相对慢及耗能。

光子电脑不使用电子,改用光子加上折射镜或分光镜取代原有的逻辑闸来做资料传输及运算,比传统电子传递过程会经过带有电阻的电线而损耗,光子没有质量、不须介质传递,更能以光速前进,一旦产生就不会额外耗能。光子传递甚至可以同时使用超过两种不同波长的光来取代二进位讯号,大幅增加运算速度。

使用光来取代电子传递讯息时也并非没有缺点,因为光波长难以压缩,过长的波长限制芯片体积微缩的可能。为解决此问题,哥伦比亚大学研发一种光波导模式转换的方法,在示范装置中,超颖介面(metasurface)能让传递的光波长缩短为空气中波长缩小1.7倍,因此能缩小积体光学的大小。

光学装置须要更精确的做工,因为光束传输的些微偏差会造成巨大的问题,相对需要高技术及高成本。惠普实验室今年初宣布已开发一种光整合电路装置,使用1,052种光学元件组成,用光的偏振性质编码,比传统芯片能更快速处理计算问题。光子电路也适合做深度学习,麻省理工学院的研究团队发表奈米光子处理器,控制光波导让光产生干涉条纹,来进行深度运算。光子电脑离要能实际应用,还有很多困难待克服,已有愈来愈多大厂投入研发,如惠普、IBM。从长远看来,光子运算有助人工智慧革命,为社会带来更重大改变。

光传输技术与光整合电路最重要

在所有的光子技术中,光传输技术与光整合电路为最重要的次世代的技术,未来将对医疗技术、光电感测、太阳能电池元件、远红外线光源及光显示等应用产生革命性的影响。

市场研调机构Credence预估,光整合电路在2020年时的全球产值将达到13亿美元,2015年至2020年产值年复合成长率高达25.2%。MarketsandMarkets更指出,未来光子技术在电信传输与资料传输等应用将成长最快,将于2020年达到200万美元,而消费性电子的光子技术应用也值得关注,预计在2020年产值也将达到150万美元。

光子因不具有电荷与质量,拥有低能量耗损与不容易受到外界干扰的特性,能够解决半导体在不断微缩过程中,元件与导线的距离缩短导致电磁干扰导致操作延迟、能源损耗等相关的问题。因此光子成为后摩尔定律时代中新兴的重要技术。欧盟在2009年欧盟所提出Key Enabling Technologies(KETs)的五项技术,即包含光子技术。光子技术的节能特征,将随着倍数增加的运算、储存需要而变得日益重要,各国也纷纷投入相关研究计划支持。

欧盟第七期框架计划就透过科技补助支持CMOS整合光电子技术(HELIOS)研究、光子制造技术平台(PLAT4M)等计划,协助将光子整合电路技术从科学研究变成商业产品并形成产业。进入欧盟第八期欧盟框架计划阶段(Horizon 2020),欧盟将光子技术的研发分为先进技术研究与产业技术研究,主要目的是探索光子先进技术,保持欧洲在光子技术上的领先;还有透过公私伙伴协力的方式,加速光子技术的产业发展。

美国在先进制造伙伴2.0计划预计以尖端制造业再复兴创造美国的经济发展,提出15个创新研究中心,包含光整合电路创新中心,由纽约州立大学与美国能源局共同负责营运。该创新中心主要提供光整合电路的标准化平台,协助光子技术的产业扩散,将串联设备制造商、材料供应商、软件供应商、光整合电路生产商与研究者,透过多方合作,加快光子技术的产业化进程。美国国家科学基金会、美国国家航空暨太空总署等也投入光子尖端技术研发,包含LiDar技术、光处理器、先进医疗光感测器、多光雷射等。

日本经济产业省与新能源产业技术综合开发机构在2012年展开十年的光电子融合基础技术研究,以确保日本在后摩尔时期,能在光整合电路相关技术上保有领先优势。至于前瞻光子技术的部分,日本文部科学省于2016年揭露研究目标与战略分项所展开的拓璞量子战略,将量子运算、自旋电子学与光子技术列于重点技术,将于未来投入发展光子新的理论、使用单向传播光波导的光整合电路、光学储存设备、高功能单模雷射和向量光束。

中国大陆投入光子技术包含两个部分:光通讯的技术追赶与光子技术弯道超车。在技术追赶部分,透过全国电子光学系统十三五标准化发展规划,设立光子技术标准,透过制定标准提升产业技术。国家重大科学研究计划则建立自主的硅光子技术与研发平台,透过中科学、大学与产业的合作,拟在关键的高性能的微奈米电光元件及其整合技术上,实现光子技术的弯道超车。光子技术是兼具科技前瞻性与市场应用性的技术,从产值估测可以得知,未来几年光子技术应用将逐渐深入生活。因此各国无不投入研发资源,期望透过产官学研的资源整合,抢占光子技术未来商机与机会。

技术面面观

光子芯片主要是将无数个光学系统整合在芯片上,就如同现今的半导体芯片,但将利用超微透镜取代电晶体并以光子来进行运算。光子芯片与传统的半导体芯片相比,具有更高的运算效率以及讯息传输量,也兼具耗能低、运行过程中产生较少的热,所以无须复杂的散热设计等优点,因此被认为在未来可延续摩尔定律,传承旧有硅芯片的发展。

在众多光子技术中,硅光子及其相关技术凭借其使用成本较低的硅与硅基衬底材料,并结合既有且技术成熟的CMOS技术,使其极其受到青睐,自2015年IBM公司研制硅光学芯片后,使该技术呈现爆发式的成长,并使该技术自实验室走入市场,吸引微软、亚马逊及Facebook等公司的青睐,因为这些公司的数据中心常在云端资料连结并处理巨量的资料时,受限于传统的铜线以及低速光纤的传输量,造成运行效率低落。

而硅光子技术的发展,将可有效解决此问题,以2016年Intel硅光100G PSM4 QSFP、以及Intel硅光100G CWDM4 QSFP所推出的收发器产品。凭借着其微型、高速、低功耗的特性,可有效解决目前数据交换瓶颈及能耗问题,该产品整合雷射与硅光子元件,透过调变技术,资讯传输速度可达每秒100GB,是传统铜线传输的四倍,这将解决令各数据中心在运算能力上陷入困境的网络瓶颈。但硅光子技术的应用不仅如此,包含高速电脑、感测器、生命科学、量子运算等高阶应用,以及自驾车应用的光学雷达等需要大量交换资讯应用,也将受惠于该技术的发展。

在投入厂商方面,除Intel、IBM、思科、Imec等,因硅光子技术涵盖半导体技术与光学技术,加上此技术带来大量数据或讯息交换的应用,将会改变传统通讯产业运作模式,Mellanox 、Luxtera等光通信公司及设备商华为等公司皆投入相关研究。

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