IMEC推出硅光子超声波传感器验证芯片!突破摩尔定律的互连瓶颈!
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随着互连技术成为越来越具有挑战性的系统瓶颈,一些研究人员——甚至像英特尔这样的大公司——相信硅光子学将成为隧道尽头的一束光芒。
一些分析人士声称,随着3nm技术的到来,摩尔定律将戛然停止。大多数时候,这种讨论都围绕着缩小设备中量子效应的问题展开。然而,另一个(也可以说是更重要的)问题是互连,它正日益成为系统的瓶颈。
对于超越摩尔定律的设备改进的综合需求,以及传统互连方案的功能的削弱,正在为硅光子学领域铺平道路。虽然这个领域不一定是新的,但它正在获得越来越多的关注。在2020年12月,英特尔在其年度“实验室日”上表示,该公司正在积极研究硅光子技术,“通过为未来的数据中心和光连接网络推进光和硅技术的集成,从而克服电I/ O的限制。”
在本文中,我们将讨论传统IC面临的挑战,对硅光子技术的需求,并重点介绍科学家使用硅光子学创建改进的超声传感器的最新研究。
互连瓶颈
目前集成电路领域有两个总体趋势:设备越来越小,芯片面积越来越大(由于集成度的提高)。这些趋势的结果是,互连(而不是器件)实际上已成为IC设计中的最大瓶颈之一。
IC上的互连直接受它们的几何形状和彼此相邻的位置影响
总的来说,互连线正在被迫变成更小的几何形状,宽度和厚度都在减少,而全局互连线(如时钟线)也在变长,以适应更大的芯片尺寸。
此外,集成度的提高还创造了更多的金属层,这些金属层之间的距离更近。所有这些都导致互连阻抗大幅增加,其中寄生电阻、电容和电感变得比晶体管本身的阻抗更加突出。
互连正在成为IC设计的瓶颈。图片由Grzela等提供 。
硅光子技术:可能的解决方案
许多人认为,解决这些问题的方法是硅光子学。
硅光子学使用光进行通信。图片由Luxtera和IEEESpectrum提供
硅光子学是IC的一种形式,其中光子集成电路是建立在硅上的。在这些电路中,与通过铜互连的电信号相反,数据是通过波导通过光在芯片周围传输和移动的。结果是一种技术消除了对互连瓶颈日益增加的关注,从而无需缩小晶体管尺寸就能创建更快的IC。
硅光子学是一种集成电路的形式,其中光子集成电路建立在硅上。在这些电路中,数据通过光波导在芯片上传输,而不是通过铜互连的电信号。其结果是,这种技术避开了人们日益关注的互连瓶颈,在不必缩小晶体管尺寸基础上,创造出速度更快的芯片速度。
到目前为止,该技术仅限于研究,但是有强烈的推动力,最终将其推向工业界,以寻求诸如数据中心之类的速度快且耗电大的用例。
到目前为止,这项技术还主要局限于研究领域,但人们强烈希望最终可以将其推向工业界,以寻求诸如数据中心之类的速度快且耗电大的用例。
基于硅光子学的超声传感器
欧洲微电子研究中心(IMEC)的研究人员开发了一种基于硅光子的超声传感器,证明了硅光子技术的应用价值。
传统的超声波传感器使用压电器件阵列,依靠特定超声波频率下的机械共振。不幸的是,这些技术受到许多因素的限制。例如,压电器件越小,其灵敏度越低,阻碍了其构建大型阵列的能力。
超声波传感器布局。图片由Westerveld等提供
该项目的研究人员在《自然》杂志上发表一篇文章,提出了一种使用 "分肋 "硅光子波导的新方法。该系统包括一个放置在可移动膜上的主体部分以及基板上的固定肋。两者被放置在一个15纳米宽的间隙中,其中包含一个强电场。
在他们的文章中自然,研究人员建议,使用“split-rib”硅光子波导的一种新方法。该系统由放置在可移动膜片上的主要部分以及基板上的固定“肋骨”(rib)组成。两者被放置在一个15毫米宽的包含强电场的间隙中。
当超声波使膜变形时,电场将极大地改变波导的折射率,这将改变固定rib的共振特性。研究人员能够使用可调激光器读取该波长,从而产生准确的信号。
光的力量
据悉,该研究提出的超声波传感器的灵敏度是传统传感器的100倍,显示了硅光子学所能提供的强大能力。随着摩尔定律的终结,互连变得越来越难操作,转而采用硅光子技术可能正是保持该领域进步的解决方案。
原文:
https://www.allaboutcircuits.com/news/silicon-photonics-may-remedy-interconnect-bottlenecks-moores-law/