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奈米矽光子學-破除奈米線寬的競爭遊戲

102/05/09 17429

黃承揚｜英商牛津儀器

2012年底國際大廠IBM（International Business Machines Corporation）開發出90nm的奈米矽光學積體電路晶片，整合光與電路在單一晶片上，實現電腦晶片藉由光脈衝進行訊號傳遞、收發訊號，取代晶片間的金屬連線，讓系統達到體積更小、傳輸更快、更省電的目標。Intel（Intel Corporation)也不惶多讓的在2013年4月展示100Gbps（Gigabit per second）矽光學雷射連線技術；這種整合於矽晶片上的超高速光學資料連線方式，資料傳輸數度之快，可在1秒之內即傳送完成1部HD（High Definition)高畫質電影，而這樣的傳輸速度已比目前最快的超級電腦還要快上百倍。

電腦運算速度為了滿足3D高畫質影音與大量數據處理，國際大廠無不卯足全勁在小小5公分見方的中央處理器(CPU)晶片上競賽，比快、比平行運算速度、比4核心和8核心……。陸續上市的CPU有：Intel Core i7、AMD FX8350等，而半導體製程為了在小小的CPU上埋入更多運算電晶體，線寬從40nm、25nm、16nm，也是一日千里的挺進；但再小的金屬線寬也有它幾何尺寸的最終極限，究竟甚麼會是下一世代的超級電腦呢？答案就是：奈米矽光學用光來取代銅線，傳輸距離更遠，沒有實體線路的干擾，沒有訊號衰減的現象，將完全改變未來電腦的運算方式。

晶片間通訊是電腦速度的主要關鍵，因此多核心的平行運算瓶頸在於傳遞訊號的銅導線；隨著運算速度的提升，為了在單位體積內塞入更多實體線路，也讓半導體技術不得不往奈米極限挑戰，不斷縮小元件尺寸，然電路複雜化最終將走到金屬導線傳遞的物理極限，而奈米矽光子學即是極限處的另一塊光明頂。就理論而言：光是沒有電荷與質量，且在同一傳遞通道內不會相互干擾，光速般的傳遞與零耗損是電無法匹敵的，故將光學元件整合於奈米等級的積體化晶片，用光速的傳導取代銅線，並操縱電一般的操控光，發送出0101的訊號，這就是矽光子學。

奈米矽光子學簡單的說就是將光通訊的元件，例如：雷射光源、電光-光電調變器、接收器、分波多工器、光開關等等光學元件積體化整合在半導體晶片中，或是直接採用CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)製程技術，將氧化層埋藏於矽之間製作成矽波導(Si Waveguides)，藉由內外高低折射率差異，使光在小於1umm的脊狀結構內全反射傳遞。另外，近年快速發展的三維晶片(3D-IC)垂直整合式晶片，也提出在互相連結的層狀結構中，上下層間的訊號快取通道(cache)是用光學元件取代垂直的銅導線製程，如此除了擁有前述的快速傳遞與光路可交錯通訊的優點外，也克服金屬導線於上下層狀內部傳遞時，無法導熱與散熱不易的瓶頸。

台灣擁有優越的半導體技術，長久以來被國際學者譽為「矽島」，因此發展奈米矽光子作為下一世代晶片連接技術，將是刻不容緩的議題。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿）

責任編輯：楊谷洋｜國立交通大學電機工程學系暨科技與社會中心智庫研究團隊

半導積電路(2)

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