石墨烯芯片，打破 AI 互连瓶颈

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来 源： 内容来自ioplus。

“如果电子瓶颈不存在，数据可以在芯片间无缝传输，那会怎样？” Black Semiconductor的首席技术官兼联合创始人 Cédric Huyghebaert 正是用这个问题，概括了这家欧洲最具创新精神的光子学初创公司之一的雄心壮志。在埃因霍温举行的 2025 年欧洲光子集成电路峰会 (PIC Summit Europe 2025) 上，他阐述了公司如何利用石墨烯的独特特性，将光子学直接融入半导体生产。“我们称之为一种新型芯片，”他说道，“因为现在，你的 CMOS 芯片可以同时使用两种语言：电子学和光子学。”

从实验室到工厂：石墨烯的漫长道路

“当我们开始研究石墨烯时，”休格巴特回忆道，“所有人都认为我们找到了新的硅。”凭借其非凡的迁移率和导电性，研究人员设想用石墨烯完全取代CMOS晶体管。“但幸运的是，”他笑着说，“石墨烯没有带隙。它具有奇特的能带结构，而这最终成为了我们的优势。”

他解释说，早期的实验很简单：在实验室里剥离出一层原子厚的石墨烯。“我们用光照射它，发现它吸收了2.3%的光；对于单层石墨烯来说，这已经很多了，但还不足以制造器件。”关键的突破在于科学家们将石墨烯层压到波导上，使光能够反复与石墨烯层相互作用。“这样你就可以调节吸收率，甚至可以根据需要吸收所有光，”休格巴特说道。

这一发现开启了石墨烯调制器和光电探测器的研发之路，这些器件能够以惊人的速度操控和探测光。“它在实验室里表现出色，”他说。“但如何将其与电子器件连接起来？如何将其规模化生产？这就是Black Semiconductor的创立初衷。”

一种新的芯片类别：史诗级芯片（EPIC），而不仅仅是单片机芯片（PIC）

传统的光子学和电子学融合方法依赖于复杂且成本高昂的先进封装技术：键合、减薄和堆叠多个芯片。“这非常复杂，”Huyghebaert说道。“我们提出的替代方案是EPIC：电子-光子集成电路。我们利用标准工业流程集成这两种技术。无需剥离工艺，也无需特殊工具。”

其结果是革命性的简洁性：可以在标准CMOS生产线内制造的光子器件，使数据传输不再依赖于电子，而是通过光来实现。“无论你在下面的芯片上制造什么，”他说道，“它突然间就能用两种语言交流了。它既可以进行电子计算，也可以进行光通信。这彻底改变了游戏规则。”

挑战：质量、可重复性、可扩展性

石墨烯的潜力与它的难题不相上下。“你不能直接去找代工厂让他们把石墨烯集成到芯片上——至少我们还没找到能做到的，”休格巴特坦言。主要问题是什么？质量和可重复性。“众所周知，石墨烯性能优异，但稳定性较差，”他说。“所以我们正在研发单晶石墨烯，先在200毫米晶圆上生长，然后再扩展到300毫米。这对于稳定性至关重要。”

转移过程也十分棘手。“我们先在模板上生长石墨烯，然后将其转移到晶圆上，但保持其完美无瑕却很难。在CMOS技术的历史上，可重复性也是关键瓶颈，直到业界掌握了控制栅极氧化层的方法。现在，我们必须对石墨烯也做到这一点。”

第三个挑战是可扩展性。“即使这项技术成功了，我们每年能生产10万片晶圆吗？100万片呢？”他问道。“如果想在每个芯片上都应用光子技术，就需要制定大规模生产的计划。”

欧洲的石墨烯时刻

总部位于亚琛的Black Semiconductor公司通过与欧洲的合作找到了答案。“欧洲在石墨烯研究领域有着深厚的传统，”Huyghebaert提醒听众，并提到了欧盟的石墨烯旗舰计划。“因此，在2021年，我们开始与政策制定者对话，说服他们欧洲应该将这项技术留在本土。”

他们的提案成功了。2024年6月，Black Semiconductor获得了IPCEI（欧洲共同利益重要项目）的资助，用于建设一条300毫米集成石墨烯光子学试验生产线。“我们目前正在设计这座晶圆厂，”Huyghebaert说道，“它将于2026年中期投入运营，2027年初全面投产，产品样品也将很快推出。”

公司的发展速度同样迅猛。“2022年我们只有两个人，”他说，“现在我们有130人，明年就会达到240人。”如此快速的发展也带来了挑战。“招聘人才很难，”他坦言，“但让人才各司其职更难。新人需要时间才能高效工作；这正是我们目前正在努力的方向。”

超越硅光子学

当今的硅光子（SiPh）技术——光互连的主力军——在集成到芯片制造的后端工艺（BEOL）时面临诸多限制。“SiPh需要高温和与BEOL不兼容的材料，”Huyghebaert解释道。“相比之下，石墨烯则完美契合。它工作温度低，与CMOS工艺兼容，并且能够实现高速调制器和探测器。”

他认为，这种兼容性可以重新定义计算机架构。“它使我们能够重新思考芯片之间的通信方式；直接通过光，在同一堆栈内进行通信。这就是我们打破阻碍人工智能发展的互连瓶颈的方法。”

在公司的愿景视频中，他简洁地总结道：“石墨烯光子学消除了电子瓶颈，实现了无限的数据吞吐量。”

下一步：玻璃和光

Black Semiconductor公司也在开发玻璃面板中介层，这是一种新兴的下一代计算平台。“玻璃可以减少信号损耗，提高带宽，并支持更复杂的系统架构，”Huyghebaert表示，“结合集成石墨烯光子技术，它可以在芯片之间创建无缝的光学结构。”

在早期的实验室测试中，他们的石墨烯调制器已经展现出令人瞩目的速度：目前为 5 GHz，并计划实现 20-25 GHz 的调制速度和 60 GHz 的光电探测器。“我们才刚刚起步，”他说，“但我们知道前进的方向。”

迈向后硅时代

最后，休格巴特提到了他在创立Black Semiconductor之前发表的最后一篇学术论文。“论文题目是《二维材料可以让后端生产线变得智能》。而这正是我们正在做的：让后端生产线变得更智能。”

他说，他们的目标不是取代CMOS，而是对其进行增强，将芯片背面变成有源光学层。“这是新型芯片的首款产品。电子和光子真正实现了集成。这就是我们重新思考计算的方式。”

休格巴特的讯息很明确：计算机领域的下一次革命不会仅仅来自更快的晶体管；它将来自光，光流过单层碳。

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