光电混合集成电路（160321）

闵应骅

   最近好几位博友问我：“闵老师，您的博客怎么好久没更新了？”每当我收到这样的信息，内心总是感谢网友的厚爱。我耐心解释原因。进入2016年，我已进80，不想把这当事儿来办了，就停止定期写博客了。最近看到IEEE Spectrum 2016/02上发表一个新闻，“以光连接芯片”，看了有点激动，有必要介绍一下。

   我在博客中多次说过，计算机体系结构一个一直不好解决的问题是CPU和存储器之间的连接严重的影响计算速度。好早就利用DMA（直接内存存取）、流水线、缓存等各种方式来缓解这个问题。但是，现在，在新的高速度面前，这仍然是一个大问题。

   这个新闻说，麻省理工学院、加州大学伯克利分校、科罗拉多州立大学博德分校研究把芯片上的CPU和存储器用光元件连接起来，而且是用现成的集成电路CMOS制造工艺就可以做出光电混合的集成电路。他们把7000万晶体管和850个光学元件集成起来，成为一个处理器，光连接速率达到沿光纤两个方向用同一个波长每秒2.5 GB，如果增加带宽，多用几个不同的波长，速率应该可以达到27.5 GB/s。这是用电传输达不到的。

   这个新闻说到这儿好像就到此为止了，其实不然。它只说了研究动机和结果，没有说你是怎么得到这个结果的，这样的新闻常常缺乏说服力，可信度不高。这种光电混合集成电路是基于2007年开始的45纳米CMOS工艺。从硅衬底开始，加200纳米的二氧化硅作绝缘层。其上是100纳米的晶体硅，再加100纳米氮化物层和绝缘涂层。晶体硅包含少量的锗，对硅产生一种张力，以提高电路速度。该处理器是用伯克利开发的开放指令集、采用双核RISC-V体系结构。它还包含兆字节的静态RAM。这个工艺过程关键的困难是一部分衬底被刻蚀掉，氧化层又这么薄，光就会通过它到衬底，造成损耗。去掉衬底可以减少这一损耗，不要硅还可以允许从外部激光提供给光学元件，即使芯片朝下安装到印刷电路板也没有关系。但是，这样做将使刻蚀对整个芯片都没法做了。所以，他们在微处理器和存储器下面保留了硅，那里无光射出，从而可以安装散热器，冷却处理器。

芯片光子部分的核心是微环谐振器，那是一个耦合到波导的10微米微环。它掺杂晶体管p-n结相同的元素到结构中，作为陷波滤波器，只允许单一波长的光通过。在p-n结施加负电压，载流子推出微环；施加正电压，载流子返回。这就实现了数字信号对光束的控制。但是，光信号要变成数字信号需要光检测器。要实际检测到光，芯片中必须有厘米那么长的硅锗。这显然是不行的，但有了微环，由于光通过微环许多次，锗化硅可以吸收光而产生电信号。可是，微环谐振器受热以后，谐振波长会发生变化，他们的解决办法是开发一个热温度系统，该系统包括另一个光检测器和一个数字控制器。当光检测器检测到光电流发生变化时，控制器改变微环的电压，使折射率恢复正常。

他们已经在伯克利创业了一家公司，叫Ayer Labs，希望在几年内使之商业化。当然，也有人质疑，说光损耗很大、功率损耗很大、芯片面积太大。不过，美国国防部高级研究计划局一直加大投入硅光子学，工业界和客户最终还要权衡成本。不管怎样，这是一项很原创性的工作。

这个问题也困扰着通讯领域的光缆传输。因为网络里面，光缆传输速度很快，但一到电交换机就卡住了，电交换机处理不了这么快。谁能解决这个问题，就像发明光缆那么伟大。