随着互连成为日益严峻的系统瓶颈，一些研究人员，甚至像英特尔这样的大公司，都相信硅光子成为隧道尽头的光明。

随着互连技术成为越来越具有挑战性的系统瓶颈，一些研究人员——甚至像英特尔这样的大公司——相信硅光子学将成为隧道尽头的一束光芒。

一些分析人士声称，随着3nm技术的到来，摩尔定律将戛然停止。大多数时候，这种讨论都围绕着缩小设备中量子效应的问题展开。然而，另一个（也可以说是更重要的）问题是互连，它正日益成为系统的瓶颈。

对于超越摩尔定律的设备改进的综合需求，以及传统互连方案的功能的削弱，正在为硅光子学领域铺平道路。虽然这个领域不一定是新的，但它正在获得越来越多的关注。在2020年12月，英特尔在其年度“实验室日”上表示，该公司正在积极研究硅光子技术，“通过为未来的数据中心和光连接网络推进光和硅技术的集成，从而克服电I/O的限制。”

在本文中，我们将讨论传统IC面临的挑战，对硅光子技术的需求，并重点介绍科学家使用硅光子学创建改进的超声传感器的最新研究。

互连瓶颈

目前集成电路领域有两个总体趋势：设备越来越小，芯片面积越来越大（由于集成度的提高）。这些趋势的结果是，互连（而不是器件）实际上已成为IC设计中的最大瓶颈之一。

IC上的互连直接受它们的几何形状和彼此相邻的位置影响。

总的来说，互连线正在被迫变成更小的几何形状，宽度和厚度都在减少，而全局互连线（如时钟线）也在变长，以适应更大的芯片尺寸。

此外，集成度的提高还创造了更多的金属层，这些金属层之间的距离更近。所有这些都导致互连阻抗大幅增加，其中寄生电阻、电容和电感变得比晶体管本身的阻抗更加突出。

互连正在成为IC设计的瓶颈。图片由Grzela等提供。

因此，互连是以数据移动能量的形式对系统延迟和功耗贡献最大的因素之一。

硅光子技术：可能的解决方案

许多人认为，解决这些问题的方法是硅光子学。

硅光子学是IC的一种形式，其中光子集成电路是建立在硅上的。在这些电路中，与通过铜互连的电信号相反，数据是通过波导通过光在芯片周围传输和移动的。结果是一种技术消除了对互连瓶颈日益增加的关注，从而无需缩小晶体管尺寸就能创建更快的IC。

硅光子学是一种集成电路的形式，其中光子集成电路建立在硅上。在这些电路中，数据通过光波导在芯片上传输，而不是通过铜互连的电信号。其结果是，这种技术避开了人们日益关注的互连瓶颈，在不必缩小晶体管尺寸基础上，创造出速度更快的芯片速度。

到目前为止，该技术仅限于研究，但是有强烈的推动力，最终将其推向工业界，以寻求诸如数据中心之类的速度快且耗电大的用例。

到目前为止，这项技术还主要局限于研究领域，但人们强烈希望最终可以将其推向工业界，以寻求诸如数据中心之类的速度快且耗电大的用例。

基于硅光子学的超声传感器

欧洲微电子研究中心（IMEC）的研究人员开发了一种基于硅光子的超声传感器，证明了硅光子技术的应用价值。

传统的超声波传感器使用压电器件阵列，依靠特定超声波频率下的机械共振。不幸的是，这些技术受到许多因素的限制。例如，压电器件越小，其灵敏度越低，阻碍了其构建大型阵列的能力。

超声波传感器布局。图片由Westerveld等提供该项目的研究人员在《自然》杂志上发表一篇文章，提出了一种使用"分肋"硅光子波导的新方法。该系统包括一个放置在可移动膜上的主体部分以及基板上的固定肋。两者被放置在一个15纳米宽的间隙中，其中包含一个强电场。

在他们的文章中自然，研究人员建议，使用“split-rib”硅光子波导的一种新方法。该系统由放置在可移动膜片上的主要部分以及基板上的固定“肋骨”（rib）组成。两者被放置在一个15毫米宽的包含强电场的间隙中。

当超声波使膜变形时，电场将极大地改变波导的折射率，这将改变固定rib的共振特性。研究人员能够使用可调激光器读取该波长，从而产生准确的信号。

光的力量

据悉，该研究提出的超声波传感器的灵敏度是传统传感器的100倍，显示了硅光子学所能提供的强大能力。随着摩尔定律的终结，互连变得越来越难操作，转而采用硅光子技术可能正是保持该领域进步的解决方案。