硅發(fā)光二極管(硅發(fā)光二極管誕生)

大約50年前，英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾預測，計算機芯片中封裝的晶體管數(shù)量每兩年將翻一番。這個臭名昭著的預言，即摩爾定律，很好地證明了這一點。當英特爾在20世紀70年代初發(fā)布其首款微處理器時，它只有2000多個晶體管。今天，iPhone中有數(shù)十億個處理器。但是一切都結束了，摩爾定律也不例外。

充當計算機腦細胞的現(xiàn)代晶體管只有幾個原子長。如果包裝太緊，可能會導致各種問題:電子交通堵塞、過熱和奇怪的量子效應。一種解決方案是用光學連接代替一些電子電路，光學連接使用光子而不是電子在芯片周圍傳輸數(shù)據(jù)。但有一個問題:硅是電腦芯片中的主要材料，其發(fā)光性能很差。

周三，由荷蘭埃因霍溫理工大學物理學家埃里克·巴克斯領導的研究小組在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細介紹了他們如何制造出能夠發(fā)光的硅合金納米線。這是一個物理學家?guī)资陙硪恢痹噲D解決的問題，但巴克斯說，他的實驗室已經在使用這項技術開發(fā)一種微型硅激光器，可以內置到計算機芯片中。將光子電路集成到傳統(tǒng)電子芯片中，可以在不提高芯片溫度的情況下實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和更低的能耗，這對于機器學習等數(shù)據(jù)密集型應用尤其有用。

“這是一個巨大的突破。他們可以證明由硅混合物制成的納米線的發(fā)光，因為這些材料與計算機芯片行業(yè)使用的制造工藝兼容，”馬克斯·普朗克光學科學研究所微光學小組負責人帕斯卡爾·德爾·海伊(Pascal Del Hay)說，他沒有參與這項研究。\"在未來，這可能使生產結合光學和電子電路的微芯片成為可能。\"

巴克斯說，讓硅吐出光子的關鍵在于它的結構。典型的計算機芯片是建立在一薄層硅上的。硅是計算機芯片的理想介質，因為它是一種半導體，一種僅在特定條件下導電的材料。這個特性允許晶體管作為數(shù)字開關工作，即使它們沒有任何移動部件。相反，只有在晶體管上施加一定的電壓時，它們才會導通和截止。

在晶片中，硅原子排列在立方晶格中，允許電子在特定的電壓條件下在晶格中移動。但它不允許光子進行類似的運動，這就是為什么光不能輕易穿過硅。物理學家假設，改變硅晶格的形狀，使其由重復的六邊形而不是立方體組成，將允許光子在材料中傳播。但事實證明，要真正做出這種六方晶格是非常困難的，因為硅想要以最穩(wěn)定的立方形式結晶。40年來，人們一直試圖制造六角形硅，但沒有成功。

巴克斯和他在埃因霍溫的同事們已經致力于創(chuàng)造一個六邊形硅晶格大約十年了。他們的一些解決方案包括使用砷化鎵制成的納米線作為支架，來生長具有所需六角形結構的硅鍺合金制成的納米線。向硅中添加鍺對于調整光的波長和材料的其他光學特性是非常重要的。“花的時間比我預期的要長，”巴克斯說?！拔迥昵拔揖推谕茉谶@里，但整個過程中有很多微調?！?/p>

為了測試硅合金納米線是否發(fā)光，巴克斯和他的同事用紅外激光將其爆炸，并測量另一側發(fā)出的紅外光量。當紅外光接近激光注入系統(tǒng)的能量時，Bacchus和他的同事檢測到了從納米線中流出的能量，這表明硅納米線在傳輸光子方面非常有效。

巴克斯說，下一步將使用他們開發(fā)的技術制造一種由硅合金制成的微型激光器。巴克斯說，他的實驗室已經開始了這項工作，年底前可能會有一個工作的硅激光器。在此之后，下一個挑戰(zhàn)將是如何將激光與傳統(tǒng)的電子計算機芯片相結合。“這將是非常嚴重的，但也將是困難的，”巴克斯說。我們正在集思廣益，尋找這樣做的方法。\"

然而，未來的計算機芯片不會完全是光學的。在微處理器等元件中，使用電子來移動晶體管之間的短距離仍然是有意義的。但對于“長”距離，如計算機CPU和內存之間的距離或小晶體管集群之間的距離，使用光子而不是電子可以提高計算速度，同時降低能耗和系統(tǒng)散熱。電子必須串行傳輸數(shù)據(jù)，一個電子必須依次傳輸數(shù)據(jù)，而光信號可以以物理學中最快的速度(光速)在多個通道上同時傳輸數(shù)據(jù)。

這項研究真的在實用的基于光的計算上又邁出了重要的一步。半個世紀以來，電子計算機芯片忠實地滿足了我們的計算需求，但在我們這個數(shù)據(jù)匱乏的世界，是時候讓處理器快速發(fā)展了。

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