光芯片，最新进展

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光子平台、存储架构和光开关领域的最新进展表明，光计算领域正在不断发展。

世界各地的研究团队正在加速推进光子计算的发展，过去一年发表的研究成果涵盖器件、存储器、开关、特征提取和高速调制等领域。近期研究成果包括硅锗光子学、集成光存储器、单光子开关、光学衍射引擎以及400 Gb/s电吸收调制器等，每一项都旨在降低数据密集型系统的延迟或提高带宽。

综合来看，这些项目展现了光学技术如何能够支持未来的人工智能、高性能计算和实时决策工作负载，同时保持与大规模半导体制造的兼容性。

01

IHP发布搭载140 GHz调制器的SiGe光子平台

IHP 推出了其所谓的首个硅锗光子平台，该平台能够支持带宽远超当前硅光子极限的电吸收调制器和光电二极管，并报告称其调制器的外推 3 dB 截止频率为 140 GHz，鳍式光电二极管的外推 3 dB 截止频率高达 200 GHz。

这些器件工作在C波段，并采用单一工艺流程制造，团队认为这是实现200Gbaud以上互连扩展的必要条件。为了达到这些性能目标，IHP开发了一种SiGe外延方法，利用硅δ层来控制吸收边，同时避免集成SiGe器件中的负载效应。此外，他们还采用了紧凑型波导集成EAM结构和可调谐鳍式光电二极管设计，以带宽为代价来换取响应度。

该团队利用同一晶圆上的调制器和光电二极管进行了高速链路实验，验证了该平台。现在，他们计划将该光子平台与其 BiCMOS 技术相结合，以支持未来人工智能和高性能计算系统中的高性能光链路。

02

采用标准半导体工艺的集成光子存储器

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发并测试了一种完全由商用硅光子代工厂现有组件构建的集成光子存储芯片，为可扩展的光计算硬件提供了一条切实可行的途径。

该器件采用由光电二极管、微环谐振器和光波导构成的“交叉耦合差分再生光子锁存器”，实现了SRAM的光学模拟，模拟运行速度可达20 GHz，读取速度高达50-60 GHz。由于该设计完全依赖于AIM Photonics和GlobalFoundries等代工厂的标准工艺，因此无需新材料或新制造技术即可实现批量生产，使其适用于连接数据中心和高性能计算系统中处理器的大型光中介层。

03

普渡大学研究人员实现单光子光开关

普渡大学的研究人员展示了一种单光子光开关，该开关利用雪崩倍增效应产生异常大的非线性折射率，从而实现了他们所描述的“光子晶体管”，该晶体管以单光子强度运行，并有可能扩展到数百吉赫兹的时钟频率。

该团队改进了商用单光子雪崩二极管中使用的雪崩机制，使得控制光束中的单个光子能够调制强度更高的探测光束，从而将量子尺度效应与宏观光学开关联系起来。该器件可在室温下工作，并且兼容CMOS工艺，这使其具备了许多基于量子发射器的非线性平台所缺乏的制造途径。

研究人员表示，这种开关的速度已经达到吉赫兹级别，通过优化几何结构，速度还可以进一步提升，使其能够应用于从量子信息协议到经典光子逻辑和高速光互连等多种领域。该团队目前正在开发定制的SPAD结构，用于开关而非检测，旨在进一步提高非线性，并使单光子光逻辑更接近实际的光子计算架构。

04

12.5GHz 光学特征提取引擎

清华大学的一个团队构建了一个12.5 GHz 的光学特征提取引擎，该引擎利用集成衍射算子和片上数据准备模块实现了亚 250 ps 的矩阵矢量运算，解决了用于实时 AI 工作负载的电子处理器中存在的延迟瓶颈问题。

研究人员通过用可调谐片上功率分配器、精密延迟线和可重构相位阵列取代基于光纤的分路器和延迟元件，解决了先前光学系统的相干性和稳定性限制。该相位阵列可将输入数据流采样到多个并行光分支中。处理完毕后，光信号将通过衍射算子，该算子根据输入相位排列来控制聚焦输出光的方向，从而实现高速特征提取，用于边缘检测和语义分割等任务。

该装置可在 250.5 ps 内完成矩阵向量乘法运算，这是目前报道的同类光计算中最短的延迟。同样的硬件也应用于量化交易，其中光场效应晶体管 (OFE) 以光子速度处理时间序列市场数据并生成买卖决策，展现出持续的盈利能力。这项工作表明，集成衍射计算可作为一种实用的加速器，应用于成像、医疗保健和金融分析等需要低延迟和高吞吐量的领域。

05

Imec 实现频率超过 110 GHz 的 GeSi 电吸收调制器

Imec 在其 300 毫米硅光子平台上展示了 GeSi 电吸收调制器，其带宽超过 110 GHz，支持每通道 400 Gb/s IM/DD 传输，这标志着 Imec 将其认定为首个在可制造工艺中达到这两个性能里程碑的 C 波段 GeSi EAM。

该调制器面向数据中心和人工智能训练集群内部的短距离光链路，未来的架构需要400 Gb/s的通道，并要求极低的延迟和低功耗。该器件利用锗硅中的弗朗茨-凯尔迪什效应，规避了薄膜铌酸锂马赫-曾德尔调制器的尺寸和集成限制，以及微环设计的热稳定性问题，从而实现了紧凑的几何结构、高速传输以及与晶圆级CMOS工艺的兼容性。

Imec报告称，系统级演示采用PAM-4 IM/DD链路验证了400 Gb/s的净数据速率，并强调测试带宽被限制在110 GHz，并非设备本身限制，而是测量设备的限制。借助更高频率的仪器，该团队有望获得更大的带宽余量，并评估数据中心典型高温环境下的性能。目前，该调制器已提供给正在探索用于人工智能计算集群的扩展互连方案的合作伙伴。

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https://www.allaboutcircuits.com/news/five-research-breakthroughs-push-boundaries-photonic-computing/

（来源：编译自allaboutcircuits）

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第4254期内容，欢迎关注。

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