什麼是光子計算？如何製造光子晶片？它能幫我們突破算力的瓶頸嗎？哈嘍，大家好！今天我來給你科普一下光子晶片。人類的現代文明離不開電腦與晶片，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光碟，利用紅外鐳射的反射來存取資料。當然，由於種種原因，光碟、光碟機都在已被市場淘汰。不過，光通信的應用現在仍然很常見。比如你家的網路光纖，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”，資訊密度比電更“濃”。

然而，儘管存儲和通信可以用光信號，但最重要的資料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——晶片，主要都是電子晶片。他們的基本組成單位是電晶體。作為一種電子器件，電晶體必須用電來驅動、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，就會導致額外的功耗與延遲。當然，網路遊戲的延遲是小，但是人類科技的鎖死是大。目前，晶片算力的發展越來越遲緩，摩爾定律已經停滯。其中一個重要原因就是，當電子電晶體越做越小，本應被絕緣層阻隔的電子會發生量子隧穿效應，導致漏電流無法管控。如果我們能另闢蹊徑，用光子晶片代替電子晶片，用光路代替電路，用鐳射電源代替功率電源，以全光的形式來存儲、傳遞和處理資料，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，突破晶片的算力瓶頸。

比如2017年的這篇論文《Computing with coherent nanophotonic circuits》，作者來自MIT的沈逸辰博士，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，光子晶片的理論能效能吊打現在的GPU。只是彼時的光子晶片畢竟還太年輕，應用領域太窄，製造成本也太高。而就在不久前，上海微系統與資訊技術研究所的研究團隊開發出矽基碳酸鋰光子晶片的量產技術，並在《Nature》上發表了論文成果，讓光子晶片又邁出了實質性一步。人類的晶片能夠馴服光嗎？今天就讓我們透過這兩篇論文解讀光子晶片的原理與製造、現在與未來。

一枚晶片的構成是電子電晶體和導電的筒線，那麼一枚光子晶片就要有光子電晶體和導光的波導。波導是傳播光的媒介，比如光纖就是一種波導。但什麼是光子電晶體呢？讓我們先回顧一下電子電晶體，它的經典造型是三級結構，兩端的源漏極是輸入和輸出，中間還有一個控制用的柵極。只要給電晶體接上電源，再在柵極上外加一個電壓，就可以切換兩端電流的通與斷，或者說輸出一個高電平或低電平，對應邏輯運算的“1”或“0”。以此類推，最簡單直接的光子電晶體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、用光做控制的全光電晶體，但目前成熟的應用太少。目前有關光子晶片的兩篇論文團隊製作的光子晶片，其基本器件都是用的MGM——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-曾德爾調製器），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，行進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，一個恒定的光輸入只會得到一個恒定的光輸出。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。希望以上解釋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。但光子晶片的材料比較特殊，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極，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“1”和“0”。而要做到這一點，主流的晶片材料矽並不是非常理想，因為它的折射率比較穩定（更學術的說法是矽晶體的focus係數很低）。所以，製造高性能光子晶片一般會引入新的材料，比如磷酸鋰和碳酸鋰。前者成本較高，而後者就是上海的科研團隊製造光子晶片的突破口。光晶片再好，如果不能量產就沒有商業價值，走不出實驗室。要批量生產光晶片，第一步要能量產光晶圓。

為了製作矽基襯底的碳酸鋰晶圓，論文團隊使用了一個在業界很聰明的方法——smartcup（可以翻譯成智慧離子切割技術，簡稱質子切割），比奈米切割的更加隱形和精確。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。這就是晶圓健合工藝。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研磨工藝減薄膜層的厚度，磨平質子的切面。到此，一枚光滑的矽基碳酸鋰薄膜晶圓就製備完成了。

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圓大小要匹配，耐高溫和熱膨脹的表現比較好，這樣才方便二者結合。否則，強行合在一起會導致膜層的缺陷多、應力大，所以才要另想他法。以上所有技術，從smartcut、晶圓鍵合到熱退火和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，但是論文團隊的方法也能用在6寸和8寸的產線，就不必在實驗室裡手搓晶片了，而是真正實現批量生產。

有了光子晶圓，下一步就是在600奈米厚的碳酸鋰薄膜上製造光子電晶體、馬增器等。它的結構之前講過，主要由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，使用步進式的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、硬掩模、刻蝕波導形貌、去除側壁上的副產物、二度沉積等等。如果看過我之前的晶片製造詳解，這些工藝理解起來肯定沒問題，這裡就不再贅述了。

科研團隊還特別提到了金屬電極的製作，使用了一個叫做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“獻祭”的方式，犧牲掉一層材料來給晶圓特定部位覆膜的技術。因為晶片製造中的金屬鍍膜，不管是蒸鍍還是濺射，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？先給金源塗一層光刻膠，然後光刻加刻時把不想覆膜的地方保護起來，再做金屬濺射，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，想自製光子晶片的同學記得這一步沖走的溶劑不要倒了，裡面真的有金子。

最後，回答一個問題：光子晶片會完全取代電子晶片嗎？先不論光子晶片的應用還不成熟，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，光子器件的研究其實早在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，幾乎沒有干擾、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晶片很有優勢。但是，光也存在一些特性上的制約，比如器件間的可集連性、光學的非線性問題等。這些光子的短板，就是電子的長板。因此，即便以後光子晶片發展成熟，也不會在所有應用上取代電子晶片。目前業界的期待也是希望先把電子與光子晶片集成在一起，用光電混合異構的方式繼續解鎖晶片更高的算力。總之，光子和電子會在各自擅長的晶片領域繼續發光發熱。

光子計算的未來還有很多小項空間，尤其是當電子晶片的製成幾近停滯的當下，發展光子晶片的意義重大。比如，17年沈逸辰博士的這篇論文首次探索並呈現了光子AI晶片的優異性能；今年，上海為系統了論文又為光子晶片的量產提供了解決方案。此外，還有更多默默無聞的科研工作者在努力探索著未知，他們才是人類真正的科技之光。

OK，這就是本期的全部內容了。感謝耐心看到最後的你，如果有收穫，希望能點個贊吧！Bye!