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隨著互連技術(shù)成為越來越具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)瓶頸，一些研究人員——甚至像英特爾這樣的大公司——相信硅光子學(xué)將成為隧道盡頭的一束光芒。 

一些分析人士聲稱，隨著3nm技術(shù)的到來，摩爾定律將戛然停止。大多數(shù)時(shí)候，這種討論都圍繞著縮小設(shè)備中量子效應(yīng)的問題展開。然而，另一個(gè)（也可以說是更重要的）問題是互連，它正日益成為系統(tǒng)的瓶頸。

對于超越摩爾定律的設(shè)備改進(jìn)的綜合需求，以及傳統(tǒng)互連方案的功能的削弱，正在為硅光子學(xué)領(lǐng)域鋪平道路。雖然這個(gè)領(lǐng)域不一定是新的，但它正在獲得越來越多的關(guān)注。在2020年12月，英特爾在其年度“實(shí)驗(yàn)室日”上表示，該公司正在積極研究硅光子技術(shù)，“通過為未來的數(shù)據(jù)中心和光連接網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)光和硅技術(shù)的集成，從而克服電I/ O的限制。”

在本文中，我們將討論傳統(tǒng)IC面臨的挑戰(zhàn)，對硅光子技術(shù)的需求，并重點(diǎn)介紹科學(xué)家使用硅光子學(xué)創(chuàng)建改進(jìn)的超聲傳感器的最新研究。  

互連瓶頸 

目前集成電路領(lǐng)域有兩個(gè)總體趨勢：設(shè)備越來越小，芯片面積越來越大（由于集成度的提高）。這些趨勢的結(jié)果是，互連（而不是器件）實(shí)際上已成為IC設(shè)計(jì)中的最大瓶頸之一。 

IC上的互連直接受它們的幾何形狀和彼此相鄰的位置影響

總的來說，互連線正在被迫變成更小的幾何形狀，寬度和厚度都在減少，而全局互連線（如時(shí)鐘線）也在變長，以適應(yīng)更大的芯片尺寸。

此外，集成度的提高還創(chuàng)造了更多的金屬層，這些金屬層之間的距離更近。所有這些都導(dǎo)致互連阻抗大幅增加，其中寄生電阻、電容和電感變得比晶體管本身的阻抗更加突出。 

互連正在成為IC設(shè)計(jì)的瓶頸。圖片由Grzela等提供 。 

硅光子技術(shù)：可能的解決方案

許多人認(rèn)為，解決這些問題的方法是硅光子學(xué)。  

硅光子學(xué)使用光進(jìn)行通信。圖片由Luxtera和IEEESpectrum提供 

硅光子學(xué)是IC的一種形式，其中光子集成電路是建立在硅上的。在這些電路中，與通過銅互連的電信號相反，數(shù)據(jù)是通過波導(dǎo)通過光在芯片周圍傳輸和移動的。結(jié)果是一種技術(shù)消除了對互連瓶頸日益增加的關(guān)注，從而無需縮小晶體管尺寸就能創(chuàng)建更快的IC。

硅光子學(xué)是一種集成電路的形式，其中光子集成電路建立在硅上。在這些電路中，數(shù)據(jù)通過光波導(dǎo)在芯片上傳輸，而不是通過銅互連的電信號。其結(jié)果是，這種技術(shù)避開了人們?nèi)找骊P(guān)注的互連瓶頸，在不必縮小晶體管尺寸基礎(chǔ)上，創(chuàng)造出速度更快的芯片速度。

到目前為止，該技術(shù)僅限于研究，但是有強(qiáng)烈的推動力，最終將其推向工業(yè)界，以尋求諸如數(shù)據(jù)中心之類的速度快且耗電大的用例。 

 到目前為止，這項(xiàng)技術(shù)還主要局限于研究領(lǐng)域，但人們強(qiáng)烈希望最終可以將其推向工業(yè)界，以尋求諸如數(shù)據(jù)中心之類的速度快且耗電大的用例。 

基于硅光子學(xué)的超聲傳感器

歐洲微電子研究中心（IMEC）的研究人員開發(fā)了一種基于硅光子的超聲傳感器，證明了硅光子技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。 

傳統(tǒng)的超聲波傳感器使用壓電器件陣列，依靠特定超聲波頻率下的機(jī)械共振。不幸的是，這些技術(shù)受到許多因素的限制。例如，壓電器件越小，其靈敏度越低，阻礙了其構(gòu)建大型陣列的能力。 

超聲波傳感器布局。圖片由Westerveld等提供 。

 該項(xiàng)目的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表一篇文章，提出了一種使用 "分肋 "硅光子波導(dǎo)的新方法。該系統(tǒng)包括一個(gè)放置在可移動膜上的主體部分以及基板上的固定肋。兩者被放置在一個(gè)15納米寬的間隙中，其中包含一個(gè)強(qiáng)電場。

在他們的文章中自然，研究人員建議，使用“split-rib”硅光子波導(dǎo)的一種新方法。該系統(tǒng)由放置在可移動膜片上的主要部分以及基板上的固定“肋骨”（rib）組成。兩者被放置在一個(gè)15毫米寬的包含強(qiáng)電場的間隙中。

當(dāng)超聲波使膜變形時(shí)，電場將極大地改變波導(dǎo)的折射率，這將改變固定rib的共振特性。研究人員能夠使用可調(diào)激光器讀取該波長，從而產(chǎn)生準(zhǔn)確的信號。 

光的力量 

據(jù)悉，該研究提出的超聲波傳感器的靈敏度是傳統(tǒng)傳感器的100倍，顯示了硅光子學(xué)所能提供的強(qiáng)大能力。隨著摩爾定律的終結(jié)，互連變得越來越難操作，轉(zhuǎn)而采用硅光子技術(shù)可能正是保持該領(lǐng)域進(jìn)步的解決方案。