集成電路(IC),也被稱為芯片或微芯片,最早開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)50年代末,是今天使用的幾乎所有電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件。大多數(shù)現(xiàn)代集成電路芯片由半導(dǎo)體晶圓制成并由電驅(qū)動(dòng),都以平方毫米為單位衡量其面積,可以由數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小的電阻器、電容器、二極管和晶體管組成。
然而,隨著芯片的日益微型化,我們正在迅速接近這樣一個(gè)地步:在晶圓上再裝更多的元件在物理上是不可能的。這個(gè)被稱為 "后摩爾定律 "的世界最早可能在2036年出現(xiàn),并可能對(duì)半導(dǎo)體制程的進(jìn)一步發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。
更糟糕的是,目前的集成電路芯片已經(jīng)受到大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備和人工智能(AI)帶來(lái)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)使用量的壓力。簡(jiǎn)單地說(shuō),目前的IC架構(gòu)無(wú)法應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的挑戰(zhàn),這導(dǎo)致了帶寬瓶頸和數(shù)據(jù)傳輸速度下降。
幸運(yùn)的是,近年來(lái),集成光子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展迅速擴(kuò)大,并可能形成一種新型的集成電路架構(gòu)的基礎(chǔ),這種架構(gòu)使用光而不是電來(lái)傳送信號(hào)和驅(qū)動(dòng)組件。
什么是集成光子學(xué)?
光子集成電路(PIC),也被稱為光子芯片,是一種使用兩個(gè)或更多的光子元件來(lái)形成一個(gè)功能電路的微芯片。光子芯片與電子芯片的不同之處在于,它使用光粒子(光子)而不是電(電子)來(lái)感知和傳輸信息。
與電子芯片相比,光子可以提供更大的帶寬。此外,光子不會(huì)像電子那樣遇到任何相互間的阻力,這就轉(zhuǎn)化為更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的熱效應(yīng)。
使光子芯片有別于電子芯片的另一點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)中使用的基底材料。在大多數(shù)電子芯片中,硅是首選,因?yàn)樗哂懈邔?dǎo)電性、低成本和成熟的加工技術(shù)。
然而,對(duì)于光子學(xué)來(lái)說(shuō),硅不是一種可行的材料,因?yàn)樗墓獍l(fā)射性能很差。相反,在光子發(fā)展中出現(xiàn)了三種不同的基材,即磷化銦(InP)、氮化硅(SiN)和硅/硅基光電子(SiP)。無(wú)論芯片制造商選擇使用何種材料,都將取決于芯片的預(yù)期應(yīng)用,因?yàn)槊糠N基材都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。從理論上講,也許有一天可以將這三種材料結(jié)合起來(lái),創(chuàng)造出最終的PIC,但鑒于目前PIC市場(chǎng)的規(guī)模有限,對(duì)于制造商來(lái)說(shuō),現(xiàn)在追求這種努力還沒(méi)有經(jīng)濟(jì)意義。
數(shù)據(jù)和電信領(lǐng)域的光子技術(shù)
光子芯片的主要好處之一是改善數(shù)據(jù)通信,這導(dǎo)致了PIC在不同行業(yè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用,包括自動(dòng)駕駛、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、國(guó)防和航空航天。但是,從光子學(xué)的進(jìn)步中獲益最多的兩個(gè)部門也許是數(shù)據(jù)管理和電信部門。這就是光子芯片可能在未來(lái)幾十年對(duì)數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生最大影響的地方。
數(shù)據(jù)中心的集成光子學(xué)
從2010年到2018年,全球互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)了10倍以上,而全球數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)容量增加了25倍。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)的新的可能性,這種每天產(chǎn)生和消耗的數(shù)據(jù)量的巨大增長(zhǎng)只會(huì)繼續(xù)下去。由于這些不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求,用于連接服務(wù)器的傳統(tǒng)銅纜正在遭受帶寬瓶頸,影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。
銅纜往往在幾個(gè)Gbps的范圍內(nèi)就達(dá)到了帶寬的極限,而光纖的極限幾乎是無(wú)限的,可以以超低的延遲達(dá)到數(shù)百Gbps或Tbps的傳輸速度。此外,數(shù)據(jù)中心還可以將光子芯片與高帶寬發(fā)射器和接收器等板載部件集成在一起,使系統(tǒng)性能和可靠性得到顯著提高。
節(jié)省能源使用成本
電子在通過(guò)銅線時(shí)遇到的阻力的后果之一是產(chǎn)生大量的熱量。這對(duì)電子芯片中使用的硅來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的問(wèn)題,因?yàn)楣柙跓釕?yīng)力下往往會(huì)迅速破壞。出于這個(gè)原因,需要大量的冷卻來(lái)保持?jǐn)?shù)據(jù)中心的運(yùn)行,這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致了大量的能源消耗和高碳排放。據(jù)估計(jì),僅冷卻就占了數(shù)據(jù)中心所消耗能源的33%。
相比之下,PICs產(chǎn)生的熱量要少得多。事實(shí)上,它們產(chǎn)生的熱量如此之少,以至于它們不需要任何專門的冷卻系統(tǒng)。這種極端的能源效率在未來(lái)幾年可能會(huì)變得更加重要,因?yàn)樽鳛闇p少碳排放努力的一部分,數(shù)據(jù)中心面臨著削減能源消耗的壓力。
下一代6G網(wǎng)絡(luò)
即使在5G繼續(xù)在世界各地推出的時(shí)候,電信公司已經(jīng)在討論6G的潛在設(shè)計(jì),它有望比5G快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。預(yù)計(jì)在本世紀(jì)末推出的6G可以提供高達(dá)1 Tbps的速度,為3D全息視頻、8K流媒體以及改進(jìn)的人工現(xiàn)實(shí)(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)設(shè)備的新進(jìn)展打開(kāi)大門。光子學(xué)肯定會(huì)成為6G的決定性技術(shù),因?yàn)樗梢栽趲捄蛡鬏斔俣确矫姹入娮訉W(xué)有明顯的改進(jìn)。
最后的思考
在未來(lái)的十年里,很明顯,光子芯片將成為數(shù)據(jù)和電信領(lǐng)域的首選。它們能夠在寬廣的帶寬上提供閃電般的速度,并具有低熱效應(yīng),這使它們成為處理快速數(shù)字化社會(huì)中日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的最佳解決方案。盡管如此,必須牢記,這只是光子學(xué)的開(kāi)始。不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求肯定會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)它們的發(fā)展,導(dǎo)致新的用例和擴(kuò)大的市場(chǎng),在未來(lái)五年內(nèi)可能達(dá)到新的高度。
新聞來(lái)源:逍遙科技
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