硅基光子集成
里语
硅基光子集成。
之前隔壁实验室的师兄 @罗金辉 已经在他的回答中提到，2015 年 12 月 Nature 上报道的那个工作[1]「或将引起计算机处理器的大跨越，计算性能直接提高10~50倍」。
我的方向正好是硅基光子集成，所以可以从技术细节和意义上再做一些补充。
这个项目差不多在 2008 年前后开始启动（猜测），在 DARPA 等项目的支持下，历经六七年在三所大学（分别是 UC Berkeley、MIT、University of Colorado Boulder）的研究组共同努力下，终于实现了系统。这个工作，简而言之，第一次在微电子标准 CMOS 工艺下，利用 IBM 商用的 45nm 工艺线实现了光电混合集成的 CPU。其中，计算（逻辑）功能和存储功能还是利用集成电路实现，而通信功能则交由光来完成。先看一下芯片照片：
其中，集成电路部分用到了七千万个晶体管，本身的性能接近奔腾四处理器。光模块部分共用到了 870 个元件。整个工作，如果从电的方面来说，几乎没有创新，因为设计人员完全可以在 IP 核的支持下，直接设计出双核处理器以及 1MB 的存储器。而这一工作之所以能够在 Nature 上报道，主要是因为在光器件集成和光电混合系统的单片集成上做出了重要贡献，后面会谈到它的意义。
所以，接下来，我从光模块的研究情况来为大家解析一下这一工作。如果对技术细节不感兴趣，可以直接跳到最后的意义部分。
0．光模块概述
发射端：发射端接受处理器或者内存发出的电信号，通过调制器，将电信号转换为光信号，光信号再经过光栅耦合进光纤；
接收端：由光纤传输过来光信号经过光栅进入芯片传输，光信号经过探测器后得到 CPU 或存储器所发送信号并传送给相应的电模块单元进行处理和存储。
1．光波导
光波导是光子器件的基本单元，类似于电路中的导线，用于引导光波的传输。因此，研究人员首先应该解决的问题就是：如何在 45nm 微电子工艺线下实现光波导？
下图是 45nm 工艺下，芯片各层的分布情况：
那么，可能充当光波导的只有两层，原本用于实现场效应管栅极的多晶硅层以及原本用于实现场效应管的 floating body（不知道如何翻译，微电子的同学帮帮忙）的单晶硅层。最后，实际加工的情况来看，单晶硅层的波导损耗在 3~4dB/cm，多晶硅层在 50dB/cm。而前者属于还比较不错的性能，可用于实际系统。至此，研究人员实现了光波导的在微电子工艺下的兼容。当然，其中还有一个重要的细节，这里就不再详细说了。这一工作在 2012 年的时候就已经报道了[2]。
但路还很长，因为最重要也最难的是调制器和探测器还没实现。
2．调制器
对于调制器，研究人员需要克服两个基本问题：第一，需要在 45nm 工艺线下实现基本的调制功能；第二，要保证调制器能够在系统中稳定工作。我们知道，大规模集成电路在高速运行时会产生大量的热（想一想我们用笔记本玩大型游戏时，键盘可能都会烫手），这其实也是当下集成电路发展的瓶颈之一。而光调制器对环境温度很敏感，因此处理好这一问题也至关重要。
其实，在 2012 年的那篇报道中，研究人员已经报道了一种常见的采用脊形波导的微环型调制器的结构，但是要满足工艺兼容，很多参数都无法调整，所以这一结构的调制带宽只能达到 600MHz，无法满足要求。
接下来，研究人员奇思妙想，想出了一个车轮形结构的微盘型调制器，本质上就是在微盘的径向级联了很多 PN 结，并用并联的方式同时由电压驱动，从而实现快速的载流子迁移。这种思路下，在标准工艺下，他们实现了 5GHz 调制带宽的调制器，功耗<5fJ/bit。这一工作在 2014 年的光通信会议 OFC 上进行了报道[3]。
那么，如何解决第二个问题。最直接的思路就是引入反馈进行控制。这其实是电路中最常见的一种方式，比如运放中的线性放大就是反馈控制的典型案例。但是，由于光无法进行有效的逻辑运算，进行光反馈的设计是很难实现的。幸运的是，正是为了兼容到微电子工艺中，微电子工艺所提供的各种成熟的集成电路系统正好可以为此提供帮助。
具体结构如上，将调制器输出的一部分光经过探测器接收，用以判定当前的状态，通过旁边的数字电路系统对调制器的状态进行实时控制（实际就是控制一个加热电阻，用以抵消环境温度的变化）。最后实际性能，实现了环境温度 60K 变化时，调制器仍然能够稳定工作。这一工作在 2015 年的 VLSI-Symposium 会议上进行了报道[4]。下图说明了，调制器辅助控制系统的重要性。红线表示关闭控制系统时的误码率，蓝线表示开启控制系统时的误码率。可以看出，如果没有控制系统，调制器根本无法正常工作，整个计算机系统也无法正常工作。实际中，研究人员也进行了演示，如果控制系统被关闭，系统很快就会宕机。
3．探测器
发现上面说得太详细了，这一块的技术就略说了。对这一部分，其实目标还是很明确，就是如何在 45nm 工艺线上实现探测器。最终，研究人员利用原本控制 p 场效应管的沟道特性的 SiGe 来构成探测器的探测区，最终实现了带宽为 32G@-1V，18GHz@0V 的探测器，响应度相对于 IMEC 的专门 CMOS 工艺来说差一个数量级，但是已经可以实用。这一工作在 2015 年初进行了报道[5]。结构图如下：
4．系统测试
上图为系统架构，利用两块芯片的其中一部分搭建了最基本的计算机系统。其中一片充当微处理器（如图中左半部分），另一片充当内存（图中右半部分）。FPGA 用于辅助，包括初始装机以及显示驱动等。两块芯片的物理距离为几米，由芯片上光模块部分来完成整个通信，通信速率为 2.5Gbps.由于目前还无法将激光器集成到硅芯片上，所以由外部激光器提供光源。
具体测试方面，研究人员进行了计算机标准测试，装载了 Linux 系统，并进行了三维图形渲染等，都表明这一系统工作正常。
最后谈一谈这个工作的意义：
1．首要的意义，第一次利用商用的微电子工艺线实现了光电混合计算机系统的单片集成。从事光子集成研究的人员都知道，从工业发展来看，光子集成落后于集成电路一个重要的表现就是 foundry 很晚才出现。一直快到 2010 年，国际上才陆续出现一些可以为光子集成设计进行代工的机构或者企业，比如欧洲的 IMEC，新加坡的 IME 等等。但是，一直以来光子集成的 foundry 工艺和微电子的 foundry 工艺是不能兼容的，走的是两条路线。虽然硅光集成里面很多也用到了 CMOS 工艺兼容的技术，但与用于加工集成电路的 CMOS 工艺相比还是有不少差别的。而这一次，通过这一工作，研究人员将这一技术壁垒给打破了，这使得设计人员从此可以在同一个硅衬底上同时设计光路和电路协同工作的系统。
2．接着上面的结尾，另一个重大的意义就是，这一工作为以往的片上光系统提供了新的解决方案。从上面的调制器的例子可以看出，光系统对于环境是很敏感的，由于光本身缺乏成熟的逻辑控制，所以以往的系统中，人们需要想出很多其他辅助方式来稳定其性能。而利用集成电路的逻辑控制和存储，人们可以设计智能片上的光系统。此外，这一方法还表明，这种方式的集成可以提供更多稳健、功能更加丰富的光电混合芯片。
3．回到工作本身上来，这一工作是当下火热的光互联的一个优秀代表，这为后续的百核 CPU，数据中心光互联的发展等都提供了强有力的支持。由于对光互联没有太多调研，这里不做太多阐述。
4．值得一提的是，这一系统中的光源仍然采用的是外部光源。因为，光源方面的问题一直是硅光集成的难点之一，由于硅是间接带隙半导体，所以发光效率极低，全世界的研究人员一直在研究各种办法进行突破。还是在去年 11 月，在 Nature 的子刊 Nature Photonics 上[6]，IMEC 和根特大学的研究人员报道了在硅上直接生长 III-V 族材料的方法。目前，IMEC 又在欧盟新的项目支持下继续研发这一工艺，未来一旦能够兼容到 CMOS 工艺中，那么硅光集成的大一统的时代就来了，葫芦娃几兄弟全部集齐。到那个时候（估计就在最近几年内），完全的光电混合单片集成就可以在 foundry 下实现了。
5．最后，我好奇的是，这么核心的硅光集成技术，不知道国内有没有单位或者机构在研究。
参考文献：
[1] Sun, C. et al. Nature 528, 534–538 (2015).
[2] Orcutt, J. S. et al. Optics express 20, 12222–12232 (2012).
[3] Wade, Mark T., et al. OFC. OSA, 2014. 1.
[4] Sun, C. et al. in 2015 Symposium on VLSI Circuits (VLSI Circuits) C122–C123 (2015).
[5] Alloatti, L. et al. Applied Physics Letters 107, 041104 (2015).
[6] Wang, Zhechao, et al. Nature Photonics 9.12 (2015): 837-842.
2016-03-22
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