MIT研究人员在高带宽、高能效通信领域取得重要突破

麻省理工学院（MIT）主导的一项研究项目旨在打造下一代微系统，使其能够以比现有技术更高的带宽和更低的能耗可持续传输数据。自2022年成立以来，该项目已取得多项重要进展。

其中包括在系统级器件层面实现了电子学与光子学的高效集成——电子学利用电信号处理数据，而光子学则利用光信号完成同样的工作。这类微系统是同类中的首创，不仅性能先进，而且有望实现低成本量产，因为它可以直接在传统电子晶圆厂和封装厂的现有设备上制造。

"我们颠覆性的电子-光子集成解决方案，将使我们从每秒数百太比特的数据传输速率跃升至每秒超过1拍比特。"MIT FUTUR-IC项目负责人阿努·阿加瓦尔在4月举办的一场题为"塑造半导体未来：性能、功耗与可能性"的网络研讨会上表示。该活动由MIT工业联络项目（Industrial Liaison Program）与Startup Exchange联合主办。

采用共封装光学技术的先进系统，相比当前纯电子方案或可插拔光学方案，能够提供更高带宽并显著降低能耗。

迈向可持续发展

从智能手机到医疗成像设备，各类产品背后的微芯片在2021年的全生命周期内贡献了约5亿吨二氧化碳当量排放，全球每年产生的电子垃圾也超过5000万吨。与此同时，支撑视频点播等复杂计算任务的大型数据中心持续扩张，预计到2030年将消耗全球近10%的电力。

"这种发展既不可持续，也无法规模化，必须改变。"阿加瓦尔多年来一再强调。FUTUR-IC项目由美国国家科学基金会Convergence Accelerator资助，正是为了应对这些资源效率问题而设立。

例如，将光子学与支撑现代芯片的电子学进行集成，有望有效降低能耗，因为利用光传输数据的能效远高于电信号传输。"我们的核心理念是：用电子学负责计算，用光子学负责通信，从而有效控制当前的能源危机。"阿加瓦尔表示。

然而，目前在单一封装内将电子芯片与光子芯片连接起来，既困难又昂贵，原因之一是共封装光学领域的供应链生态仍不成熟。

全新器件

为此，FUTUR-IC项目开发了两种新型器件，旨在降低光子芯片与微芯片集成的难度和成本。其中一种是"渐逝场耦合器（evanescent coupler）"，已于去年登上《先进工程材料》期刊封面；另一种是"梯度折射率耦合器（GRIN coupler）"，相关成果发表于2026年3月印刷版的《物理学杂志：光子学》。

第三种新型耦合器由MIT材料科学与工程系胡杰骏教授团队研发，相关论文发表于2023年的《激光与光子学评论》，该研究获得美国能源部资助。

这三种耦合器是光学领域的首批"焊球"等效物——在电子学中，焊球是实现芯片间或芯片与基板间电气连接的微小金属凸点。在MIT的这项工作问世之前，光子学领域尚无类似的"光学凸点"可供选用。

"如果要将光子学与电子学集成，就必须同时具备金属凸点和光学凸点，因为光子芯片上的器件既需要电信号，也需要光信号。"两篇论文的第一作者、现就职于美国国家标准与技术研究院（NIST）的德鲁·韦宁格（Drew Weninger，2025届博士）表示。

正如电子学领域需要多种类型的电气凸点一样，光学凸点也需要多种形态，因为"每种类型都存在明显的权衡取舍"，韦宁格等人在今年早些时候发表于《自然》杂志的一篇耦合器进展综述文章中如此写道。

例如，GRIN耦合器的可用光谱范围比渐逝场耦合器更宽；而渐逝场耦合器则更易于制造，且可以更紧密地排列，从而实现更高密度的连接。

其他进展

FUTUR-IC项目围绕三个维度展开：技术（耦合器研发是典型成果）、价值链创新以及人才培养。

在价值链创新方面，研究人员开发了一款新工具，帮助企业在可持续性方面作出更明智的决策。Earthster提供可视化模型，可快速评估企业产品在能耗、材料使用及环境可持续性等方面的表现。阿加瓦尔表示："通过Earthster，供应商可以立即识别自身碳排放的主要来源，并着手优化。"

在人才培养方面，FUTUR-IC也推出了多项面向下一代芯片产业的培训计划，包括即将推出的半导体资源效率在线课程，以及游戏化数字学习、问题导向学习、暑期学院和实践训练营等多种形式。面向中小学群体，FUTUR-IC还制作了TED-Ed系列科普视频。

阿加瓦尔在4月研讨会的总结发言中，特别强调了FUTUR-IC所服务的广泛产业范围："无论您是封装供应商、材料供应商，还是数据中心供应链中的一员，FUTUR-IC都能为您创造价值。"

GRIN耦合器论文的合著者还包括：阿加瓦尔；材料科学与工程系托马斯·洛德讲席教授莱昂内尔·基默林；现就职于硅光子公司SiLC Technologies的克里斯蒂安·迪塞尔（2025届学士）；以及布里奇沃特州立大学物理、光子学与光学工程学教授塞缪尔·塞尔纳。

《自然》综述论文的合著者还包括：塞尔纳；现就职于Ayar Labs的路易吉·兰诺（2025届博士）；基默林；以及阿加瓦尔。

Q&A

Q1：FUTUR-IC项目的核心目标是什么？

A：FUTUR-IC是由MIT主导、美国国家科学基金会资助的研究项目，核心目标是开发下一代微系统，实现比现有技术更高的数据传输带宽（目标超过每秒1拍比特）和更低的能耗。项目将电子学用于计算、光子学用于通信作为核心理念，致力于解决数据中心能耗持续攀升、电子废弃物激增等可持续发展难题。

Q2：光学凸点和电学凸点有什么区别？为什么都需要？

A：电学凸点（焊球）是芯片间实现电气连接的微小金属凸点，已广泛应用于电子封装。光学凸点则是MIT团队新开发的等效器件，用于实现芯片间的光信号互连。当光子芯片与电子芯片集成时，芯片上的器件既需要电信号也需要光信号，因此两种凸点缺一不可。MIT开发的三种耦合器（渐逝场耦合器、GRIN耦合器和第三种耦合器）是光学凸点领域的首批实用化方案。

Q3：渐逝场耦合器和GRIN耦合器有什么区别？

A：两者各有优劣。GRIN耦合器（梯度折射率耦合器）支持更宽的光谱范围，适用场景更广；渐逝场耦合器则制造工艺更简单，且可以更紧密地排列，能在同等面积内实现更多连接。研究团队在《自然》综述文章中指出，每种耦合器类型都存在明显的权衡取舍，实际应用中需根据具体需求选择合适方案。