硅芯片達(dá)到物理極限

? ??如今的芯片利用電子在細(xì)小的金屬線上移動(dòng)來傳輸數(shù)據(jù)，這種方法已經(jīng)使用了幾十年，也正是這種方法讓我們擁有了速度更快的手機(jī)和最強(qiáng)大的AI芯片，但現(xiàn)在我們遇到了一個(gè)大問題。隨著我們在芯片上塞入越來越多的晶體管，由銅制成的導(dǎo)線變得越來越細(xì)，導(dǎo)致電阻急劇上升、熱量不斷累積。不僅僅是晶體管達(dá)到了物理極限，它們之間的互連和布線也成為計(jì)算領(lǐng)域最大的瓶頸之一。

? ??物理學(xué)給了我們一個(gè)解決的線索，那就是利用光子而不是電子。光不會(huì)像銅那樣損失能量，它速度更快、溫度更低，非常適合在芯片和數(shù)據(jù)中心之間傳輸數(shù)據(jù)。而說到在納米尺度上控制光，石墨烯在這方面非常擅長。

石墨烯擅長控制光子

? ??石墨烯是目前最迷人的材料之一。它本質(zhì)上就是一層碳原子以完美的蜂窩狀排列。這種結(jié)構(gòu)不僅美觀，而且堅(jiān)固耐用。碳原子緊密結(jié)合，使這種材料比鋼更堅(jiān)固，同時(shí)又輕巧靈活。由于它是一種晶體結(jié)構(gòu)，電子甚至光子可以非?？焖俚卮┻^石墨烯，幾乎沒有阻力。

? ??電子穿過石墨烯時(shí)的電遷移率高得驚人。石墨烯的遷移率為每秒20萬平方厘米，而硅的遷移率為500平方厘米。這意味著切換到石墨烯進(jìn)行數(shù)據(jù)互連，數(shù)據(jù)傳輸速度比現(xiàn)在快100到1000倍。

常見的光調(diào)制器：馬赫-曾德爾干涉儀

? ??當(dāng)我們想用光來傳輸數(shù)據(jù)或計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要進(jìn)行編碼，將數(shù)字信號編碼成光。為此，我們需要使用一種基本設(shè)備——光調(diào)制器，其中最常見的一種是馬赫-曾德爾干涉儀。第一束光從一端進(jìn)入，然后被分成兩條不同的路徑，有點(diǎn)像一條光子路分成兩條車道。通常情況下，來自兩個(gè)分支的光會(huì)在末端重新結(jié)合，發(fā)生相長干涉，這意味著輸出光等于輸入光。

? ??如果我們將數(shù)字信號施加到其中一條路徑上，就會(huì)發(fā)生一些變化，該信號會(huì)改變該分支中光的相位，從而改變其在輸出端的干涉方式，這就是我們調(diào)制光的方式，我們實(shí)際上是將數(shù)字比特編碼成光的強(qiáng)度。通過這種方式，我們可以通過光纖傳輸數(shù)據(jù)，甚至可以在光子芯片上進(jìn)行計(jì)算，這個(gè)過程是硅光子學(xué)的核心。

石墨烯是理想的光調(diào)制器材料

? ??但通過硅實(shí)現(xiàn)這些有其局限性，尤其是在更快的速度、更低的功耗和更小的占用空間方面，而這正是石墨烯的用武之地。硅在紅外波段的窄帶中工作效果最佳，而石墨烯可以與從可見光到紅外光，甚至到太赫茲波段的各種光發(fā)生良好的相互作用。更有趣的是，我們實(shí)際上可以通過施加電脈沖來控制石墨烯吸收的光量，這使得它成為下一代光調(diào)制器的理想候選材料。

可以實(shí)現(xiàn)乘法累加運(yùn)算

?

? ??將石墨烯用于光調(diào)制器的技術(shù)不僅有助于加快數(shù)據(jù)傳輸速度，還為更宏大的目標(biāo)打開了大門，那就是利用光本身進(jìn)行計(jì)算。在馬赫-曾德爾干涉儀中，將之前的數(shù)字脈沖改為施加模擬電壓，就會(huì)發(fā)生一些新的變化。在這種情況下，相移量會(huì)根據(jù)該電壓平滑變化，因此輸出端的光強(qiáng)度與兩個(gè)值（輸入光和施加電壓）的乘積成正比。

? ? ?換句話說，該設(shè)備能執(zhí)行模擬乘法，這意味著如果我們將該設(shè)備擴(kuò)展到大量設(shè)備，我們就可以以模擬方式執(zhí)行矩陣乘法累加運(yùn)算。這種運(yùn)算在人工智能領(lǐng)域無處不在，每秒執(zhí)行數(shù)十億次。 地球上每個(gè)人工智能數(shù)據(jù)中心每秒都在發(fā)生。

可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行計(jì)算，并降低能量損失

? ??每個(gè)光調(diào)制器編碼不同的權(quán)重，一束光攜帶輸入值，我們在設(shè)備上將輸入光與模擬值相乘，然后在輸出端光電探測器將光轉(zhuǎn)換為電流，最后以電子方式對結(jié)果進(jìn)行求和。我們可以在數(shù)千個(gè)并行通道上執(zhí)行此操作，就能以模擬方式實(shí)現(xiàn)了矩陣乘法累加運(yùn)算。

? ??這種方法的優(yōu)勢在于，光可以同時(shí)攜帶多個(gè)不同波長的數(shù)據(jù)流，這意味著我們不僅能進(jìn)行快速計(jì)算，還可以大規(guī)模并行計(jì)算，同時(shí)將能量損失降至最低，并且無需停止數(shù)據(jù)運(yùn)行。

Black Semiconductor同時(shí)開發(fā)石墨烯芯片和晶圓廠

? ??與任何突破性的新材料一樣，石墨烯的制造以及從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。除非石墨烯的生產(chǎn)規(guī)?；覂r(jià)格合理，否則它很難被廣泛應(yīng)用。為了將其應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界的芯片，我們需要能夠在晶圓上生長或轉(zhuǎn)移高質(zhì)量的石墨烯，并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

? ??長期以來，這一直是不可能的。但現(xiàn)在情況終于開始改變，我們看到世界各地都在建造新的石墨烯晶圓廠。以Black Semiconductor為例，他們不僅在設(shè)計(jì)基于石墨烯的光子芯片，還在構(gòu)建實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)所需的完整基礎(chǔ)設(shè)施。他們的新晶圓廠FabONE正在德國建設(shè)中，計(jì)劃于2026年開始生產(chǎn)，并于2030年實(shí)現(xiàn)全面量產(chǎn)。

Destination 2D開發(fā)基于石墨烯的互聯(lián)技術(shù)

? ??加州大學(xué)圣巴巴拉分校的衍生公司Destination 2D，他們不僅在開發(fā)基于石墨烯的互連技術(shù)，還在設(shè)計(jì)工具和技術(shù)，并研究將石墨烯從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到晶圓廠的整個(gè)流程。他們并不是唯一一家這樣做的公司，還有一家名為NanoXplore的公司開發(fā)了一種特殊的干法生長工藝，使他們能夠生長出不含雜質(zhì)的高質(zhì)量石墨烯，這對于電子設(shè)備來說非常關(guān)鍵。

臺(tái)積電在測試混合石墨烯金屬結(jié)構(gòu)

? ??幾乎無缺陷的晶圓級石墨烯在幾年前是不可能的，但現(xiàn)在就連巨頭也開始關(guān)注，臺(tái)積電、英特爾、三星已經(jīng)在探索如何將石墨烯集成到下一代互聯(lián)中。

? ? 例如，臺(tái)積電正在測試一種混合石墨烯金屬結(jié)構(gòu)，這是他們無需重新改造整個(gè)晶圓廠就能開始取代銅的戰(zhàn)略方法。我們必須面對現(xiàn)實(shí)，我們不可能在一夜之間就完全取代銅，大多數(shù)新材料不是通過瞬間顛覆，而是通過更具戰(zhàn)略性的推廣。

量產(chǎn)仍需克服很多技術(shù)挑戰(zhàn)

? ??在實(shí)驗(yàn)室中制造石墨烯是一回事，大規(guī)模生產(chǎn)并保持其完美無瑕又是完全不同的另一回事。題在于，當(dāng)石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，缺陷開始蔓延。微小的晶粒邊界和雜質(zhì)在半導(dǎo)體中就是災(zāi)難性的，它們會(huì)徹底摧毀性能。

? ??石墨烯必須與現(xiàn)有的以硅為基礎(chǔ)的晶圓廠兼容。切換到石墨烯意味著至少要對晶圓廠進(jìn)行部分改造，這既昂貴又緩慢，風(fēng)險(xiǎn)也很大。此外，還有一個(gè)轉(zhuǎn)移問題，因?yàn)槭┩ǔＪ窃阢~或碳化硅等材料上生長的，但將其轉(zhuǎn)移到其他材料上會(huì)存在一些問題。

還要考慮成本效益

? ??即使我們設(shè)法克服了所有這些技術(shù)挑戰(zhàn)，我們也必須思考這在經(jīng)濟(jì)上是否可行。轉(zhuǎn)換新材料不僅要使其發(fā)揮作用，還要考慮成本效益。而今天的石墨烯顯然還沒有達(dá)到這個(gè)水平。

? ? 為了使石墨烯走出實(shí)驗(yàn)室，我們需要在三個(gè)方面下功夫：可擴(kuò)展性、制造和成本。但石墨烯的進(jìn)展已經(jīng)開始加快。

來源：Achillesscj