如何製造光子芯片｜當算力鎖死後，人類還能做什麼？

什麼是光子計算? 如何製造光子芯片? 它能幫我們突破算力的瓶頸嗎? Hello 大家好 我是教你造芯片的三圈 人類的現代文明離不開計算機與芯片 而它們又離不開三類底層技術 運算、存儲和通信 這其中有不少都可以用光來實現 比如光存儲的代表 DVD光盤 利用紅外激光的反射來存取數據 當然由於種種原因 光盤光驅都快成為時代的眼淚了 很多10後也許不會知道 五元一張的盜版光盤 曾給我們帶去多少白嫖的快樂 不過光通信的應用現在仍然很常見 比如你家的網絡光纖 就是利用光在玻璃管內的全反射 來實現信號的傳導 和電信號相比 光的優點在於頻率快、損耗低、信噪比高 因此通信傳輸比電更香 信息密度比電更濃 相容定律推薦大家瞭解一下 然而儘管存儲和通信可以用光信號 但是最重要的數據運算 還是得用電信號來處理 這是因為所有電子設備的大腦 芯片 主要都是電子芯片 它們的基本組成單位是晶體管 作為一種電子器件 晶體管必須用電來驅動 用電來控制 所以不論光纖速度有多快 當數據傳到本地 都得進行光電信號的轉換 這會導致額外的功耗與延遲 當然網絡遊戲的延遲是小 但是人類科技的所死是大 目前芯片算力的發展越來越遲緩 摩爾定律幾近停滯 其中一個重要原因 就是當電子晶體管越做越小 本應被絕緣層組合的電子 會發生量子碎穿效應 導致漏電流無法管控 如果我們能另闢蹊徑 用光子芯片代替電子芯片 用光路代替電路 用激光電源代替功率電源 以全光的形式來存儲、傳遞和處理數據 這樣既能省去光電轉換 還有可能利用光子的特性 繞過現有的物理極限 突破芯片的算力瓶頸 比如2017年的這篇論文 Deep Learning with Coherent Nanophotonic Circuits 作者來自MIT的沈一誠博士 在他的研究中 充分展現了光子計算的一個優勢 就是並行性高 很適合做矩陣乘法 用來跑AI很有潛力 如果未來技術成熟 光子芯片的理論能效 能吊打現在的GPU 只是鄙視的光子芯片 畢竟還太年輕 應用領域太窄 製造成本也太高 而就在不久前 中科院上海威信羅所的研究團隊 開發出矽基坦酸鋰光子芯片的量產技術 並在Nature上發表了論文成果 讓光子芯片又邁出了實質性一步 人類的芯片能夠馴服光嗎? 今天就讓我們透過這兩篇論文 解讀光子芯片的原理與製造 現在與未來 一枚芯片的構成 是電子晶體管和導電的統線 那麼一枚光子芯片 就要由光子晶體管和導光的波導 波導是傳播光的媒介 比如光纖就是一種波導 但什麼是光子晶體管呢? 讓我們先回顧一下電子晶體管 它的經典造型是三極結構 兩端的圓鏤極是輸入和輸出 中間還有一個控制用的三極 只要給晶體管接上電源 再在三極上外加一個電壓 就可以切換兩端電流的通與斷 或者說輸出一個高電頻或低電頻 對應邏輯運算的1或0 以此類推 最簡單直接的光子晶體管 應該用光源取代電源 輸出明或暗的光學信號 來對應邏輯運算的1和0 那如何控制光的輸出呢? 最理想的情況是用光來驅動 用光做控制的全光晶體管 但目前成熟的應用太少 因此不論是MIT還是中科院 兩篇論文團隊製作的光子芯片 其基本器件都是用的MCM 一種用光驅動用電控制的電光混合器件 全稱是Mach-Zehnder Modulator 馬赫曾德調製器 簡稱馬增器 它的工作原理如下 光源的光進入馬增器後 會被分成兩束光 形成在兩個等長的波導中 最終匯合輸出回一束光 假如沒有特殊情況 一個恆定的光輸入 只會得到一個恆定的光輸出 那該如何操縱光呢? 這裡我要嘗試喚醒一段 被你封印許久的物理記憶 光的干涉 在雙縫實驗中 兩束光波會疊加成明暗不同的光紋 這是由於光程不同造成的 光程是光通過的物理距離 乘以光傳播介質波導的折射率 兩束光的光程差 如果相差一個波長 就會發生增強干涉、變亮 如果相差半個波長 就會發生相消干涉、變暗 希望以上吟唱恢復了你的物理記憶 回到馬增器中 兩條波導的折射率相同 長度一致 理論上沒有光程差 光的輸入輸出一個樣 但光子芯片的材料比較特殊 它的折射率會根據外界溫度 或者外加電場而改變 所以在其中一路波導 連上金屬電機通電 給這部分材料加溫或者上電 就能改變折射率 進而改變這一路的光程 實現用電來控制光程差 輸出明暗不同的光來表示一和零 而要做到這一點 主流的芯片材料 灰並不是非常理想 因為它的折射率比較穩定 更學術的說法是 矽晶體的波克斯系數很低 所以製造高性能光子芯片 一般會引入新的材料 比如尼酸鋰和碳酸鋰 前者成本較高 而後者就是中科院上海的科研團隊 製造光子芯片的突破口 光芯片再好 如果不能量產 就沒有商業價值 走不出實驗室 而要批量生產光芯片 第一步要能量產光晶圓 為了製作矽晶體的碳酸鋰晶圓 論文團隊使用了一個 在業界很聰明的方法 SmartCut 可以翻譯成智能離子切割技術 簡稱智子切割 比納米斯切得更加隱形和精確 它是離子注入的一個衍生技術 具體做法如下 先拿來一片碳酸鋰晶圓 然後用離子注入給晶圓灌頂 用10萬電子伏特的能量 把氫離子從頂部注入晶圓中 這些粒子都以相同能量打進去 當動能耗盡 就會在同一深度停住 形成一層離子損傷面 完成後 晶圓看上去還是完整的 但其實內部已經被砍了一刀 裡面形成了一個切面 離子注入的能量越高 切面就越深 反之越淺 然後把處理後的碳酸鋰晶圓翻轉過來 和一枚氧化後的矽片貼緊 由於二者的表面已經被打磨得極其光滑 因此只要把接觸面對準 壓緊再上點溫度 依靠上下層表面的分子間作用力 兩片晶圓就會自己牢牢吸在一起 成為一個整體 這就是晶圓建核工藝 之後在190度的退火溫度下 把碳酸鋰沿著離子損傷層給剝離掉 就留下了一層碳酸鋰薄膜 然後再用CMP研磨工藝 減薄磨層的厚度 磨平質子的切面 到此 一枚光滑的矽基碳酸鋰薄膜晶圓 就置備完成了 經常手搓晶片的朋友可能會問 為什麼要先切再合體這麼麻煩 你之前說過薄膜沉積工藝 那直接在矽襯底上沉積一層薄膜 豈不更方便 這是因為晶片的底層器件很怕材料缺陷 用沉積的方法 的確能在矽的表面長一層別的材料 但這種抑制外延的前提 是兩種材料的晶格大小要匹配 耐高溫和熱膨脹的表現比較好 這樣才方便二者結合 否則強行長在一起 會導致磨層的缺陷多 硬力大 所以纔要另想他法 以上所有技術 從SmartCut晶圓建核到熱退火和CMP 聽上去很黑科技 但其實優點是在我們業內 這都是能夠批量生產的工藝 比如SmartCut主要在 SOI晶圓製造中被大量使用 因此儘管論文展示的樣片 是4寸的晶圓 也就是這種比較可愛的尺寸 但是論文團隊的方法 也能用在6寸和8寸的產線 就不必在實驗室裏手搓晶片了 而是真正橫進工廠去大批量生產 有了光子晶圓 下一步就是在600nm後的碳酸鋰薄膜上 製造光子晶體管馬增器了 它的結構之前講過 主要有兩個較長的波導通道 以及控制波導折射率的金屬電極組成 所以它的形貌、層數、尺寸和結構都不算複雜 對光刻機的要求沒有那麼高 使用佈晶式的DUV光刻機就能批量生產 論文中也大致描述了關鍵的製造步驟 包括DUV光刻、硬研磨、刻石波導形貌 去除側壁上的副產物、二度沉積等等 如果看過我之前的芯片製造詳解 這些工藝理解起來肯定沒問題 這裡就不再贅述了 身邊有DUV光刻機的同學 也可以嘗試一下光子芯片的附線 沒有光刻機的同學可以考慮自己裝一臺 我之前講過一期DUV的安裝指南 感興趣可以去看看 最後補充一下 在中科院論文的彩蛋部分提到了金屬電極的製作 說用了一個叫做Liftoff的工藝 我因為刻的比較久還沒講到這一步 所以先提前劇透下 Liftoff是一種通過線際的方式 犧牲掉一層材料 來給晶圓特定部位附膜的技術 因為芯片製造中的金屬鍍膜 不管是增鍍還是建設 都是給晶圓表面整體鍍上一層膜 而兩篇論文中的金屬電極 要在波導兩側的特定位置給鍍上去 這該怎麼做呢 先給晶圓塗一層光刻膠 然後光刻加刻石 把不想附膜的地方保護起來 再做金屬增鍍 給表面鍍一層真金 但是附著在光刻膠上的金子 在之後溶解去膠的時候 就會跟著膠一起飄走了 所以想自製光子芯片的同學 記得這一步沖走的容器不要倒了 裡面真的有金子 以上就給大家講解了光子芯片的底層原理和製造工藝 以後有機會再給大家講講更複雜的光運算模型 以及光量子計算 最後回答一個問題 光子芯片會完全取代電子芯片嗎 不會 先不論光子芯片的應用還不成熟 而是本質上電子與光子 並不是誰強誰弱彼此替代 而是各有所長可以協同配合 比如光子氣墊的研究其實早在80年代就開始了 光子的優勢也早就為人所知 它的頻率遠高於電子 信號幾乎沒有串繞 傳輸幾乎沒有衰減 也不會產生歐姆熱 還有之前提過的光子計算 適合做矩陣乘法 用來做AI芯片很有優勢 但是光也存在一些特性上的制約 比如氣墊間的可積粘性 光學的非線性問題等等 這些光子的短板就是電子的長板 因此即便以後光子芯片發展成熟 也不會在所有應用上取代電子芯片 目前業界的期待也是希望先把電子與光子芯片集成在一起 用光電混合異構的方式 繼續解鎖芯片更高的算力 總之光子和電子會在各自擅長的芯片領域繼續發光發熱 當然不是字面意義的芯片發熱 光子計算的未來還有很多想像空間 尤其是當電子芯片的製程幾近停滯的當下 發展光子芯片的意義重大 近年來中國科學家們在其中貢獻了許多力量 比如17年沈一誠博士的這篇論文 首次探索並呈現了光子AI芯片的優異性能 今年上海衛系總所的這篇論文 又為光子芯片的量產提供瞭解決方案 此外還有更多默默無名的科研工作者 在努力探索著未知 他們纔是人類真正的科技之光 OK這就是本期視頻的全部內容 感謝耐心看到最後的你 如果有收穫希望能給個一鍵三連 對硬核科技感興趣的朋友 也別忘了點個關注 我是三圈 下期再見 拜拜