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[优先权，笔记，展望] “光”“电”共生的集成芯片 （关联：延续“摩尔定律 Moore's law”）

摩尔定律： Moore's law

集成电路： integrated circuit

集成光路： optical integrated circuits

逻辑与： logical AND

逻辑或： logical OR

算数乘法： arithmetic multiplication

算数加法： arithmetic addition

图1  基尔比 Jack St. Clair Kilby, 1923-11-08 ~ 2005-06-20, 81

https://www.petritzfoundation.org/wp-content/uploads/2015/05/kilby.jpg

https://ar.inspiredpencil.com/pictures-2023/integrated-circuit-jack-kilby

核心：

   （1）采用“放大”能力为首的电子管、晶体管等，来完成算数逻辑“运算”，似乎不是最优的技术途径。

   （2）更好的技术途径，应该是直接将算数逻辑“运算”能力作为设计的基本单元。亦即，直接实现“逻辑与”、“逻辑或”；“算数加”、“算数乘”等运算。

   （3）“光”“电”共生的集成芯片，应该是今后几十年的现实技术。

一、起因：“电子瓶颈”、“集成光路瓶颈”

   由于“电子瓶颈”、“集成光路瓶颈”，单独发展发展集成电路、集成光路，可能不如联合发展“光”“电”共生的集成芯片。

图2  1995 关于“互容”概念的意义 第 38 页截图

   （4）从更进一步看，金属导电但导光性差（可反射光），非金属晶体导光性好却导电性差（或不导电），因此，借助“互容”概念，可能会设计出“光”“电”共生的，互为“绝缘材料”集成“光”“电”混合器件。这类器件的材料利用率恐怕是很充分的（尽管目前看来技术难度较大）。但这种思想可能会给未来的“光”“电”一体的计算机提供某种启发。

二、“光”“电”共生的集成芯片：速度、集成度、功耗、抗干扰能力、技术可行性

   “光”“电”共生的集成芯片：

   （1）速度不低于“集成电路”，

   （2）集成度不低于“集成光路”，

   （3）功耗在“集成电路”、“集成光路”之间，明显小于“集成电路”；

   （4）抗干扰能力超过“集成电路”，

   （5）技术可行性，超过“集成光路”，

   ……

   从现有的对“集成电路”、“集成光路”的述评文献，基本上可以做出这些判断。

   详情从略。

三、“光”“电”共生的集成芯片：具体的技术实现

   抛砖引玉吧！

   “光学功能材料 optical functional materials”，在外场（如电、光、磁、热、声、力等）作用下，晶体本身光学性质（如折射率、感应电极化或非线性效应等）会发生变化。

   这就意味着，可以联合使用这些不同性质的作用，实现各种不同类型的信息“运算”。

3.1  “光”“电”共生的集成芯片：基本含义

   同时采用“光”“电”两种载体，进行信息处理。是一类在“基本元件内”、“功能部件内”同时利用“光”“电”的技术。

   结合“集成光路”的快速性，以及“集成电路”技术加工的容易性。

3.2  已经建议了采用“电致发光”、“光电效应”进行算数逻辑运算

   将“电致发光”、“光电效应”配合，直接完成算数和逻辑“运算”，既属于“光”“电”共生的思路，又属于以“功能部件”为设计单元的思路。

   这类逻辑、算数运算的直接实现，很自然地可以扩大到“光、磁、热、声、力等”作用。

3.3  建议的研发路线

   在现有的光刻水平下，“光”“电”共生的集成芯片需要：

   （1）飞秒级或更快的“电致发光”、“光致发光”、“光电效应”等材料。

   很可能已经有现成的，只是没有进行针对性的测试等。

   （2）限制在宏观物理定律的水平，尽力避免各种量子效应，尽力回避纳米尺度下材料的“尺寸依赖性/size dependence”。

   （3）技术生命定位：与“半电路、半电磁场”集成电路类似，在真正的“量子计算”社会化普遍应用之前。

   （4）应该先攻克“半电路、半电磁场”集成电路的技术设计，以及完整的芯片加工。

   因为“半电路、半电磁场”集成电路很接近现有的集成电路，主要差异是“电路的设计”：同时利用“载流子”、“电场”进行工作。

   同时利用“载流子”、“电场”的技术设计，如果找到相对通用的、系统化、机械化方法，可以明显启发“光”“电”共生的集成芯片。

3.4  “半电路、半电磁场”集成电路技术

   寻找相对通用的、系统化、机械化方法，就像从前的《电路分析》、电《网络综合》等。

   估计以“计算机程序”方式出现的可能性较大，毕竟电磁“近场”的分析，似乎难以靠“解析公式”来完成。

3.5  “半电路、半电磁场”集成电路技术：谁来做？

   除了财大气粗的爱心人士愿意“不图回报”地投资砸钱之外，还可能会有像ASML一样发展“浸入式光刻技术 immersion lithography technology”的机构。

   研发“半电路、半电磁场”、“光”“电”共生的集成芯片，很可能像当初的“浸入式光刻技术 immersion lithography technology”，一举超越其他厂商。

   请去复习ASML发展“浸入式光刻技术”的悲壮历史。

   “2003年ASML推出浸没式光刻J，至此ASML一举超越其他厂商，后来者居上。”

晶上世界，2023-12-21，揭秘光刻巨头：ASML的传奇之路 

https://www.sohu.com/a/745842864_121794279

3.6  一定要复习一下集成电路发展的悲壮历史

   例如：贝尔实验室不让研究集成电路，不让研制MOS场效晶体管、浮栅晶体管，等。

附录：

A1 《中国大百科全书》，2022-12-30，光子模数转换/photonic analog-to-digital conversion

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=108823&Type=bkzyb&SubID=80688

   当采样率超过每秒千兆采样时，由于“电子瓶颈”（包括时钟抖动、比较器模糊、热噪声等）的限制，很难同时提高采样率和量化精度。光子没有静止质量、不带电荷，在处理高速、宽带信号方面具有独特优势。光子模数转换正是利用光子学这一优势来克服电子瓶颈效应的。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=108823&Type=bkzyb&SubID=80688

A2 集成光路的瓶颈，物理，2020-05，铌酸锂集成光路：孕育自主产业链的前沿基础研究

https://wuli.iphy.ac.cn/article/doi/10.7693/wl20200501

   2008 年，集成光路领域的先驱之一，伊万·卡米诺夫，在他的一篇回顾性论文中总结了若干阻碍集成光路技术发展的重要瓶颈[2]：

   (1) 集成光路通常同时包含无源和有源光子结构，而制备有源光子器件往往需要采用比硅更难驾驭的二元、三元和四元衬底材料；

   (2) 受衍射规律限制，集成光路中光子器件结构的最小特征尺寸约在光波长量级，而集成电路中电子器件结构的最小特征尺寸受限于远小于光波长的电子的德布罗意波长，这意味着集成光路上的器件密度通常要远低于集成电路中的电子器件密度；

   (3) 集成光路中往往包含多种不同功能的元器件，如激光器、探测器、调制器、多路复用器、衰减器等，而这些器件所依赖的材料特性或加工工艺往往不能相互兼容；

   (4) 面向高容量、低成本的大规模光子集成应用尚未充分被发掘。

https://wuli.iphy.ac.cn/article/doi/10.7693/wl20200501

A3 “光学功能材料 optical functional materials”

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=187582&Type=bkzyb&SubID=109399

在外场（力、声、热、电、磁和光）作用下，光学性质产生变化，从而具有光的开关、调制、隔离、偏振等功能的光电子材料。

   已发现的光学功能材料种类丰富，有惰性分子气体、金属蒸气、有机液体、液晶，也有固态晶体、非晶态陶瓷、玻璃和薄膜或超晶格材料等，

   实用线性光学功能材料有电光材料、光折变材料、声光材料和磁光材料4种，主要是一些晶态或玻璃态固体。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=187582&Type=bkzyb&SubID=109399

A4 “光功能晶体 optical function crystal”

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=60452&Type=bkzyb&SubID=80474

   在外场（如电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用晶体本身光学性质（如折射率、感应电极化或非线性效应等）发生变化的机理，

   光功能晶体泛指与光物理现象相关的无机晶体，是电、光、磁、热、声、力等各种能量形式与光相互作用转化的重要媒介。重要的光功能晶体包括光学晶体、非线性光学晶体、电光晶体、声光晶体、磁光晶体、激光晶体、光折变晶体和闪烁晶体等。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=60452&Type=bkzyb&SubID=80474

A5 “光电功能材料 photoelectric functional material”

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=139589&Type=bkzyb&SubID=95670

   在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用材料本身特性发生变化的原理，实现不同能量形式的变换，

   可把光电功能晶体材料进一步区分为激光材料、非线性光学材料、压电材料、光电材料、磁光材料、声光材料以及闪烁材料等多种功能材料。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=139589&Type=bkzyb&SubID=95670

参考资料：

[1] 2022-12-30，光子模数转换/photonic analog-to-digital conversion/陈建平，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=108823&Type=bkzyb&SubID=80688

[2] 程亚. 铌酸锂集成光路：孕育自主产业链的前沿基础研究[J]. 物理, 2020, 49(5): 277-284.

doi:  10.7693/wl20200501

https://wuli.iphy.ac.cn/article/doi/10.7693/wl20200501

[3] Ivan Paul Kaminow. Optical integrated circuits: a personal perspective [J]. Journal of Lightwave Technology, 2008, 26(9): 994-1004

doi:  10.1109/JLT.2008.922149

https://ieeexplore.ieee.org/document/4542887

[4] 2022-01-20，光学功能材料/optical functional materials/邵宗书，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=187582&Type=bkzyb&SubID=109399

[5] 2023-08-02，光功能晶体/optical function crystal/胡强强，陶绪堂，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=60452&Type=bkzyb&SubID=80474

[6] 2022-06-09，光电功能材料/photoelectric functional material/王继扬，吴以成，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=139589&Type=bkzyb&SubID=95670

[7] 2022-01-20，光电材料/photoelectric material/慕成，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=189664&Type=bkzyb&SubID=122258

   内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或

空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光伏效应的现象。外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。

   纳米光电材料是指颗粒尺度介于1～100纳米的光电材料。

[8] 2023-04-29，固体发光/luminescence of solids/徐叙瑢，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=132964&Type=bkzyb&SubID=95646

[9] 2023-05-20，纳米多孔硅/nanoporous silicon/张锦，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=194079&Type=bkzyb&SubID=123452

   纳米多孔硅具有海绵状的多孔结构，很大的比表面积，以及优异的光致发光、电致发光等特性。

[10] 2023-02-04，固态光源/solid-state lighting/田朋飞，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=232188&Type=bkzyb&SubID=149875

[11] 2024-08-28，半导体光学性质/optical properties of semiconductor/陈辰嘉，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=217764&Type=bkzyb&SubID=109352

[12] 2023-04-07，发光材料/luminescent materials/肖定全，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=187618&Type=bkzyb&SubID=109407

[13] 2023-08-01，光子/photon/裴寿镛，吴令安，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=215506&Type=bkzyb&SubID=146659

[14] 2023-02-02，远场超分辨存储/far-field superresolution storage/曹耀宇，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=232203&Type=bkzyb&SubID=149913

   光学头与存储记录介质表面之间的距离大于波长量级范围的超分辨存储方法。

[15] 2024-06-05，半导体材料/semiconductor materials/林兰，英周煌，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=152327&Type=bkzyb&SubID=109336

[16] 2023-04-06，半导体物理学/semiconductor physics/夏建白，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=225015&Type=bkzyb&SubID=105138

[17] 2023-02-23，禁带/forbidden band/姜兴兴，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=257887&Type=bkzyb&SubID=121385

[18] 2022-12-23，分子晶体管/molecular transistor/卢威，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=128099&Type=bkzyb&SubID=80673

[19] 2022-12-23，尺寸依赖性/size dependence/彭海林，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=193683&Type=bkzyb&SubID=123418  

[20] 杨正瓴. 一种新型集成电路概念—— 串音计算[N]. 中国科学报, 2019-08-15 第7版 信息技术

https://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?t=&id=33020

https://paper.sciencenet.cn/dz/upload/2019/8/201981505629684.pdf

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/8/348727.shtm

https://paper.sciencenet.cn/dz/dzzz_1.aspx?dzsbqkid=33013

[21] 1995，关于“互容”概念的意义[J]. 电气电子教学学报，1995，17(4): 35-39.

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DQDZ199504010.htm

https://www.cqvip.com/doc/journal/986242635

https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/Ch9QZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3UzIwMjUwMTA0MTcwMjI2Eg5RSzE5OTUwMDA0NjA5MhoIZHI1YmViOWs%3D

相关链接：

[1] 2025-01-03，[打听，讨论] 谁是未来的主要计算机：超导、纳米（纳米管技术）、光学（光子）、DNA（生物）、量子计算机等

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467265.html

[1] 2023-12-03，[心得] “光电效应”做“算术加法”或者“逻辑与”运算

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1412302.html

[2] 2024-12-09，[打听，资料] “光电效应 photoelectric effect”的响应速度

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1463602.html

[3] 2021-09-16，薛定谔的第三只猫（光电效应）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1304459.html

[4] 2025-01-05，[优先权，笔记] 以“功能部件”为设计单元：以JK触发器为例的思考 （关联：延续“摩尔定律 Moore's law”）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467522.html

[5] 2025-01-04，[请教，讨论] 延续摩尔定律：以“功能部件”为设计单元？ （关联：“半电路、半电磁场”集成电路）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467381.html

[6] 2024-06-26，[自然运算] 感谢《科学智慧火花》给贴出：用光做“算术加法”和“逻辑与”运算、用“压电效应”做数学运算 2 文

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1439870.html

[7] 2023-12-26，[优先权？] “自然运算”原理示意图（草图，2023-12-20 绘制）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1415467.html

[8] 2023-12-27，[笔记，请教，原创] “自然运算”有什么创新？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1415592.html

[9] 2025-01-03，[打听，讨论] 谁是未来的主要计算机：超导、纳米（纳米管技术）、光学（光子）、DNA（生物）、量子计算机等

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467265.html

[10] 2023-12-04，[展望] 计算机：“再见，晶体管。辛苦了，谢谢您！”

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1412453.html  

[11] 2024-04-19，[打听，讨论] 科技决策的作用（以发明“集成电路 integrated circuit”为例）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1430458.html  

[12] 2023-09-17，Zenas 公理：2023年汪波老师的《为什么芯片相关的发明最初总不受待见？》

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1402929.html

[13] 2024-10-16，[怀旧，展望] 电磁场仿真软件：首选的“半电路、半电磁场”电路设计技术途径

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1455627.html

[14] 2023-08-21，[征求意见稿] “半电路、半电磁场”电路：目标和现状

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1399839.html

[15] 2019-07-10，电路概念《互容》汇报后记

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1188921.html

同组博文：

[1] 2025-01-04，电子学（1）：硬件（晶体管、集成电路、等）相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467362.html

[2] 2025-01-04，电子学（2）：“历史、人物”相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467373.html

[3] 2025-01-04，电子学（3）：“教学、备课等”相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467376.html

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