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如何看待光子芯片的诞生?-光子芯片离实用还有多远

2024-09-20 11:49:12杂谈176

谢邀。

题主给出的微信文章,写得十分潦草,没有按照基本法写明参考文献,连作者的学校都能写错,差评差评。文章作者是浙大光电还是凤凰科技?如果是前者的话,我觉得丢人。

文章在这里:

http://www.nature.com/nature/journal/v528/n7583/full/nature16454.html

按照文章内容(晶体管数量、光学器件数量等)和作者信息(三所学校,教授名字等),应该是这篇没错。

文章是2015年12月发表的,其中一所学校是UC Berkely,“美国科罗拉多大学Berkeley校区”是几个意思?

我觉得这篇反而和晶体管等电子的内容关系不算大,文章集中于silicon photonics(SiP),对于研究SiP的人来说,这是一个很大的突破。

SiP大热了很多年了,业界的兴趣越来越大,学术界的东西越来越难做,瓶颈在于:

1. 器件层面创新的方向不多了:调制器、解调器等通信器件,SiP的单个器件对于OOK,60 Gb/s已经算是record,再往上彪速度意义不大;对于PAM4,已经有100 Gb/s的结果;相干调制研究的不多,但是也已经开始出现扎堆的现象了。

2. 业界对应用很感兴趣,然而制约条件很多:很多研发企业都对SiP兴趣不小,100G的模块逐渐成型,400G也在如火如荼地研究之中;然而对于SiP的模块来说,封装(package)永远是一个比较大的制约条件。

3. 制约SiP的其他方面还有:power consumption如何降低?如何在工艺上和晶体管等电子器件结合?光源如何集成?光放大器如何集成?等等。

如果这些问题解决了,不仅仅是data center内的通信,metro层面的通信用SiP模块也是可行的。

这篇文章就是针对这些问题,提供了一个解决方法。

做得很漂亮,70 million的晶体管,850+光子器件集成,理论速度传输550 Gb/s,接收900 Gb/s。做成这样两个芯片,称之为microprocessor不为过,发nature也一点不为过。

而且在文章后,有一个附件的视频,很精彩,各方面验证了这个processor的功能和robustness。实时处理的性能也不错,按照文章的说法,处理器最高在1.65 GHz,和我2013年买的电脑差不多。虽然文章中的处理器,内存只有1MB……

文章存在的“我要吹毛求疵”的问题也不少:

1. PD是用了SiGe材料,所以导致整个器件的波长在1180 nm。这个波长损耗也不是最低,色散也不是最低,可应用性不能说高啊。更何况,100G和400G的行业协议规定了1550 nm,长距离传输也是1550 nm,metro传输1310 nm,所以1180 nm要做什么?就算可应用,要让那些公司已有的1550 nm波段的成熟模块改波长,想想就头疼。已有的Ge on Si PD,40 Gb/s起步,1550 nm和1310 nm都有,不明白为什么非要1180 nm。而且SiGe的比例改一改,波长就改了啊。

我只能说,我猜,大概是工艺限制,Si和Ge的比例没做好(?),就在1180 nm了。

2. 传输速度问题。文章给出了漂亮的理论传输速度,但是实验中只用了单波长,2.5 Gb/s。文章中能见到的最高是10 Gb/s,还是在提到接收器的power consumption的时候。所以无法判断11个波长全用的时候,性能究竟如何。

3. Ring modulator的问题。环形调制器面积小,但是需要额外的heater来调整它的谐振波长。视频里也指出,关了heaters,1度的温差,处理器就崩溃了。开着heater要引入额外的能量损耗,发射器的能耗是20 fJ/bit,但是ring tuning power却有190 fJ/bit,这个能耗实在不小。(但是有什么办法呢,倒是能用travelling-wave Mach-Zehnder modulator啊,一个就至少4mm长,辣么大的片子,做什么微处理器啊?哈哈)

4.视频里给的实验setup,光源和光放大器都是额外的,这两个本身也不好集成,所以我是在吹毛求疵。

以上是一些简略的想法,希望大家讨论批评指正,也期待更多更好的答案。

补充:评论里有提到一篇文章,Sun, Chen, et al. "A monolithically-integrated chip-to-chip optical link in bulk CMOS." Solid-State Circuits, IEEE Journal of 50.4 (2015): 828-844.

这篇文章是Nature那篇MIT组的,另外两个片子,一个发射器一个接收器,9个波长,5 Gb/s,一共45 Gb/s,片上也有集成的晶体管,但是光学元件数量和晶体管数量都和Nature这篇有数量级的差别。

提到这个文章的意思是,他们有能力做正常通讯波段的WDM器件。

至于Nature文章中,为什么用1180 nm,为什么只调制了一个波长,反正我是百思不得其解。

还有,“这是否预示着广大光电学子的崛起”……呃,人呐,不单要考虑个人的奋斗,还要考虑历史的进程。

历史的进程向来都说不上好,说不上坏。乱世出枭雄,也有饿殍遍野。CS好就业,也有人失业半年才找到一个将就的工作。生物就业差,那不还有施一公

总之,既然选择了一个本身就不会太“结构性失业”的方向,就好好努力呗。想转早转,想留下来就不要再三心二意,对自己没好处。