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美国国防先期研究计划局（DARPA）近日宣布设计和制造出具有颠覆性意义的光电微处理器，在同一块芯片上集中体现了光子和电子的诸多优势。该芯片使用光及电子与外界进行通信。与生物有机体类似，该芯片由众多微小器件构成，而这些微小器件又由更多、更小的结构组成，晶体管总数超过7亿个。此项研究成果源于DARPA“光学优化嵌入式微处理器”（POEM）和“嵌入式计算技术能量效率革命”（PERFECT）项目的支持，标志着芯片级光电子系统的开始，在改变现有计算系统架构和实现更强能力计算机方面具备重大潜力。 为展示该芯片布局上的精妙，以及其中所包含的数千万个电子和光子器件，DARPA对芯片的内部结构组织了一次渐次放大的图像旅行。请观看并沉醉于这样一个由高速公路、收费站、环形道路，以及居住于其中、物质世界体积最小的通勤者组成的微观世界。 ①外壳：尺寸10mm×15mm，绿色印刷电路板上灰色指甲盖大小的区域是去掉环氧树脂封盖后的样子，一部分白色的硅衬底被刮去，以展示蓝色光电芯片的部分。 ②完整芯片：尺寸3mm×6mm（大约瓢虫大小），包括1MB存储器组（右边垂直的蓝色区域），一个精简指令集计算机（RISC）微处理器（底部的水平蓝色区域），负责光发射（左上）和光接收（左中）的集成元件。微处理器和存储器组可通过接收器和发射器直接以光的形式与芯片外的器件进行通信。 ③光子发射器组：尺寸0.4mm×1.3mm，在接收器和发射器组中，众多晶体管密集型电路（深蓝部分）与光器件（浅蓝部分）集成在一起。这是电信号转换为光信号，以及光信号再转换回电信号的地方。每一个光子组都包括11个光子集合体，每个可调制一种不同的光色。所有的11个光通道根据组长度耦合为一个单一波导。来自外部的激光通过在光子组两端的垂直光栅耦合器（VGC）进入和离开。 ④光电发射器：尺寸50um×100um，11个光子发射器中的每个都有一个微环谐振腔（直径10um）,使得特定波长的红外光能够进入波导；衍射光栅（弹头形状结构）使红外激光分流至微环谐振腔；锗硅光电探测器（线性蓝色部分）控制环状结构中光信号，是频率调制过程的一部分。 ⑤微环谐振腔：直径尺寸10um，该引人注意的环状结构将特定颜色的光限制在其环形结构中。环形圈经正负带电离子交替掺杂，可实现对环中电荷环境的电子控制，并可进一步控制结构的折光率，因此实现对颜色的更精细控制——将光“泄露”进/出环形结构上下的波导中。还有一个额外的调制器件——环中的小型加热器件，是实现波长锁定功能的重要部件。 ⑥光波导：尺寸小于100nm，芯片中的光信号在波导中传输，这显示的是一个横截面视图。光在一个晶体硅通路（中间黑色部分）传输，该通路厚度小于100nm，宽度小于1um，小到部分病毒都无法通过。波导上方是一套同样薄厚的氮化物层（可提高电子器件的性能，电子器件图中未显示），最上面是一个较厚的电子绝缘层。波导下方和硅衬底上方是一个硅氧化层。最后的工艺步骤是将波导下方的衬底和其他光学器件移除，因为光有可能进入衬底和从其上层叠的其他光学器件中辐射出去，而不是被完整地限制在波导中。 附：POEM和PERFECT项目简介 1.光学优化嵌入式微处理器（POEM）项目 POEM项目旨在开发芯片级、集成光子技术，实现无缝的片内和片外光子通信，以满足宽带和低功耗/位的要求，从而解决电子通信链路的局限性。PEOM项目将利用波分复用技术，使每个链路具有更高大的带宽容量，同时还将满足未来微处理器的通信需求。这种能力将推动微处理器性能进入到新的阶段，并影响国防部电力匮乏相关的嵌入式应用和超级计算任务的实际运行性能。实现POEM技术的挑战在于开发与互补金属氧化物半导体（CMOS）和动态随机存储器（DRAM）相兼容的宽光谱、高比特率、低功耗、并与电子驱动器件紧密集成在一起的光子链路。 2.嵌入式计算技术能量效率革命（PERFECT）项目 PERFECT项目的目标是寻求革命性的方法和技术，研究开发支持高能量效率嵌入式计算系统的技术，达到75GFLOPS/W的能量效率。PERFECT项目包括7个项目成分。其中架构、并行性、可恢复性、局域性以及和算法等5个是主要研究目标，其余2个是仿真测试与验证，是对项目的必要支持。 |
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