【積體光路系列十】曙光乍現 晶片問世？

■2015平安夜人類迎來了一份聖誕大禮：積體光路晶片。在本系列邁入第10篇之際，咱們就來看看這份禮物藏著什麼玄機吧！

撰文｜方程毅

來自麻省理工學院、柏克萊大學、科羅拉多大學波德分校(University of Colorado Boulder)及IBM華生實驗室的研究團隊於2015年12月24號在自然期刊 Nature 發表了一篇標題為"Single-chip microprocessor that communicates directly using light"的論文，將7000萬個電晶體及850光學元件整合到長6mm寬3mm的晶片上，這是人類第一次把積體電路跟光路作如此大規模的整合，國外諸多媒體包括scientific report、CNET以及美國能源部(Department of Energy)都對其進行報導，國內媒體科技新報也嗅到了先機，咱們CASE讀報《積體光路系列》當然不落人後，我們就來看看這個晶片到底有什麼玄機吧！

本文將針對這項研究進行介紹並為讀者回答兩個問題：1. 這個研究的架構是什麼？ 2. 這項研究到底厲害在哪？

這個研究的架構是什麼？

研究團隊為了不讓問題過於複雜，採用的架構相當簡單：藉由光子讓處理器(process)跟記憶體(memory)進行溝通，使處理器可以對記憶體進行寫入或讀取，他們將處理器及記憶體分別製作於兩片晶片上，傳統積體電路晶片用電子讓彼此互相溝通，但隨著對頻寬及資料傳輸量的需求日益增多，電子的能耐已接近極限，因此才有了光子出頭的機會。要證明這是個值得發展的方向就必須讓兩片獨立的晶片有能力使用光子進行指令及資料傳輸，如何「溝通」即是重點。

整個系統的工作過程簡述如下：利用電子在處理器上進行運算後，將訊號由電轉成光輸出處理器晶片，利用光纖進行傳輸抵達記憶體晶片後，再把訊號從光轉成電存進記憶體內。也就是說這兩個晶片真正利用光子及相關光學元件的部分只有輸出、傳輸(溝通)及輸入，處理訊號進行計算還是以電子為主，這也是為什麼晶片內依然有7000萬的電晶體卻只有850個光學元件的原因。

雖然科學家的目標是能生產全光學晶片，但要革新勢必不可能一次到位，本文標題之所以在晶片問世後面打個問號正是因為這兩個晶片並非真正的積體光路晶片，而是把兩個晶片溝通的媒介由電改成光，運算及儲存的部分還是以電為主。

看起來這篇論文也沒有厲害到哪裏去，大部分還是電啊！憑什麼登上Nature！

要了解其價值，就必須要回答另一個問題

這項研究到底厲害在哪？

「在製程。」

一般來說研究光學晶片有兩個製程的管道，一為自家實驗室或無塵室；另一個是foundry，也就是所謂的晶圓代工。任何晶片要能大規模生產都必須要經由foundry，foundry具有一系列標準化製程，包含各種條件限制，這些限制保證晶片能夠準確被製造出來，一個晶片可能包含數百道製程步驟，步驟之間的關係會互相影響，因此設計晶片的自由度便很小，舉例來說：假設有ABC三道穩定的製程，突然有人對B進行微調可能A馬上就出問題了，解決了A，回頭發現C又不行了，解決製程問題往往很花時間，但代工廠哪有時間跟你耗，因此當一個點子出現想要請代工廠製造時，就必須好好研究他們的遊戲規則，否則只是紙上談兵。另一方面，自家無塵室就沒有這問題，晶片可以自由設計，反正製程自由度非常大，蝕刻想多深就刻多深、鍍膜今天試一種材料明天試另一種，創意無價，只要做得出來就行。

也因為兩種製程管道差異甚大，相關研究便分成兩支，一支不管foundry限制，反正全力開發新元件，提升表現效率；另一支便是標榜將積體光路設計整合進現有積體電路foundry的架構。

本文介紹的研究厲害就在這裡，他們是第一個利用現有foundry製造出同時含有如此龐大電路及光路的晶片，過去針對製程整合研究的研究規模都沒有這麼大。研究團隊採用IBM標準45nm-CMOS製程將光學元件整合進積體電路晶片中。CMOS製程規定超過5000條，從蝕刻深度、鍍膜材料、溫度、參雜配方到後端封裝都有限制，而這些限制又都是針對積體電路設計，但積體光學的架構跟積體電路差異極大，克服兩者在製程特性上的不同是從實驗邁向實用的重要課題，論文中標榜zero-change技術便是強調他們不需要改變現有製程技術就能生產出晶片。

 

不妨回頭看看

若是讀者們有接觸過本系列的文章，我們不妨回頭看看這個晶片與本系列所介紹的研究是否兜的上。

首先看看光源，我們曾在系列一、系列六及系列九討論將雷射光整合到矽晶片的困難點，那這項研究的光源是用系列一的矽鍺、系列六的LED還是系列九的三五族化合物呢？

答案是以上皆非。

研究團隊根本沒有將光源整合進晶片中，而是額外使用一支雷射產生光束，再將光耦合進晶片中。

再來看看波長的選擇，系列四及系列五我們談到波長及光偵測器的問題，目前普遍希望使用波長1300nm或1500nm的光進行傳輸，但本研究卻使用1180nm的光。

最後來到系列八光學記憶體，明明就有光學記憶體，但研究團隊卻還是採用電子式的記憶體。

有這麼多可用的東西，為什麼通通派不上用場呢？因為我們一系列下來介紹的研究都還在自家實驗室階段，以現有技術都無法被代工廠商生產出來，或者材料太特殊，或者製程條件無法被採用，真正能被整合進現有製程技術的都是發展相對成熟且以矽為主要材料的光學元件。

 

我們期待什麼？

積體電路發展多年，雖然技術相當成熟，但頻寬及速度也趨於極限，光子的出現讓我們有機會更上層樓。積體光路的終極目標是製造出純光學運算及傳輸資料的晶片，且能大規模生產。但是，要能大規模生產就必須要有完整且穩定的生產線，目前世界上最成熟的晶片生產線就是積體電路，現階段積體光路努力配合積體電路的既有製程，讓各種光學元件能在影響代工廠標準製程最少的情況下生產出來，但也希望有一天當光學技術越來越成熟，製程能夠回過頭為積體光路量身打造。

除了製程的整合之外，要如何從電子過渡到光子也是條漫漫長路，這段期間勢必兩者共存，電子元件跟光學元件的相容性也必須設法解決，研究人員們一方面想盡辦法在自家無塵室研發出新的光學元件，另一方面也努力把較成熟的光學元件整合進積體電路中，先取代一部分電子元件，而不奢望一次到位，就像本文介紹的研究一樣，雖然晶片還不能運算，但至少能用光子進行晶片間的溝通。

任何技術的成功都是奠基於無數人的努力及嘗試，當積蓄足夠能量時，未來某位站在浪尖的英雄便會收下這份榮耀，獲得世人讚賞並且青史留名，光學晶片最終會由誰收割最後一株稻穗尚未可知，唯一可知的是，研究腳步不會停歇，過程中走過的每一哩路都是成堆研究人員的心血所鋪成，進展雖不快，卻很踏實，希望這位腳下踩滿肝臟的光學巨人能夠早日抵達終點，為人類科技發展再揭開全新的一頁。

原始論文：Sun, Chen, Mark T. Wade, Yunsup Lee, Jason S. Orcutt, Luca Alloatti, Michael S. Georgas, Andrew S. Waterman et al. "Single-chip microprocessor that communicates directly using light." Nature 528, no. 7583 (2015): 534-538.

參考資料：

1. Berkeley News:Engineers demo first processor that uses light for ultrafast communications
2. University of California - Berkeley. "Engineers demo first processor that uses light for ultrafast communications." ScienceDaily.
3. Scientific American (podcast): Superfast Computer Chip Transmits Data with Light
4. CNET:Chip promises faster computing with light, not electrical wires
5. DOE News:National Clean Energy Business Plan Competition: OptiBit Wins MIT Clean Energy Prize
6. 科技新報：「光子」取代「電子」！光處理器問世，速度比現行處理器快 50 倍

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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。