經過50年的努力，研究人員制造了硅發光二極管

陳珂

大約50年前，英特爾的聯合創始人戈登·摩爾預測，計算機芯片中封裝的晶體管數量每兩年就會翻一番，即摩爾定律。英特爾在1970年代初發布第一個微處理器時，它的晶體管剛好超過2000個。如今，iPhone中的處理器已達數十億，摩爾定律也不靈了。

充當計算機芯片的晶體管已經足夠小，如果更密集可能會導致各種問題：過熱和奇怪的量子效應。硅是計算機芯片中的主要材料，它的發光性能很差。我們正在接近電子計算機芯片的速度極限。如果想走得更快，需要攜帶數據的光子以及一些微型激光器，解決方案是用光連接代替某些電子電路，在芯片周圍傳輸數據。

摩爾定律失效之后

摩爾定律過去是每 5 年增長 10 倍，每 10 年增長 100 倍。而如今，摩爾定律每年只能增長幾個百分點，每 10 年可能只有 2 倍。因此，摩爾定律結束了。 信息技術對中央處理器（CPU）的依賴已轉向于圖形處理器（GPU）。要推動應用程序運行提速不可只依賴于芯片，還需要重新設計整個堆棧、算法、軟件和處理器。

有業內人士擔心，如果摩爾定律失效，半導體行業的發展放緩將影響整個科技行業推進。而硅谷創業教父史蒂夫·布蘭克曾撰文指出，摩爾定律其實在十年前就已經失效，只是消費者沒有意識到。

技術在進步，4月上旬，由荷蘭埃因霍溫科技大學物理學家埃里克·巴克斯領導的研究小組在《自然》雜志上發表了一篇論文，詳細介紹了他們如何制造了可發光的硅合金納米線。幾十年來，物理學家一直在努力解決這個問題——開發計算機芯片中的微型硅激光器。在常規電子芯片上集成光子電路，能夠在不提高芯片溫度的情況下加快數據傳輸速度并降低能耗，這可能使其特別適用于機器學習等數據密集型應用。

“能夠證明由硅混合物制成的納米線發出的光是一項重大突破，因為這些材料與計算機芯片行業中使用的制造工藝兼容，”微光子學小組負責人帕斯卡·德爾海耶說，“將來這可能使結合光電路和電子電路的微芯片生產成為可能。”

光子電路進行時

談到讓硅能產生光子，這與結構有關：普通的計算機芯片建立在稱為晶圓的硅薄層上，硅是計算機芯片的理想介質，因為半導體僅在特定條件下導電。

在晶片內，硅原子排列為立方晶格，允許電子在某些電壓條件下在晶格內移動，但不允許光子進行類似的運動，所以光不能輕易地穿過硅。物理學家假設改變硅晶格的形狀，使其由重復的六邊形而不是立方體組成，允許光子通過材料傳播。實際上創建這個六邊形晶格被證明是極具挑戰性的，因為硅想要以最穩定的立方體形式結晶，人們嘗試制造六角形硅已有40年，但沒有成功。

巴克斯及其同事一直致力于創建六角形的硅晶格已有十年之久，他們的解決方案的一部分涉及使用由砷化鎵制成的納米線作為支架，生成具有六邊形結構的硅鍺合金制成的納米線。“在硅中添加鍺對于調節光的波長和材料的其他光學特性很重要，花費的時間比我預期的要長。” 巴克斯說。

為了測試硅合金納米線是否發光，研發團隊用紅外激光對它們進行了“轟炸”，并測量了從另一側發出的紅外光的數量，結果檢測到了從納米線發出的能量，這表明硅納米線在傳輸光子方面非常有效。

光計算的未來

接下來研究團隊準備制造由硅合金制成的微型激光器，困難在于如何將激光器與常規電子計算機芯片集成在一起。在未來的微處理器之類的組件內，使用電子晶體管仍然是主流，但是對于長距離（例如計算機的CPU與內存之間或小的晶體管之間），使用光子而不是電子可以提高計算速度，同時減少能耗并從系統中散熱。電子串行傳輸數據，一個電子需要依次傳輸數據，而光信號則可以在物理上盡可能快的速度（光速）一次在多個通道上傳輸數據。

由于光子電路可以快速地在計算機芯片周圍重新整理大量數據，因此它們很可能在數據密集型應用中得到廣泛使用。例如，它們可能是自動駕駛汽車中計算機的福音，后者必須實時處理來自車載傳感器的大量數據。光子芯片也可能具有更多的普通應用。由于它們產生的熱量不如電子芯片多，因此數據中心不需要那么多的冷卻基礎設施，這可以幫助減少大量的能源消耗。

研究人員和公司已經設法將激光集成到簡單的電子電路中，但是該過程過于復雜且昂貴，無法大規模實施，因此該設備僅具有小眾應用。研究人員在論文中寫道：“該演示可能代表著芯片級電子光子系統時代的開始，具有改變計算系統架構，啟用更強大計算機（從網絡基礎設施到數據中心和超級計算機）的潛力。”無論如何，科學家們朝著實用的光計算又邁出了重要的一步。