这类芯片，开创新时代

尽管随着每款新智能手机的发布，其速度和内存都越来越大，但我们不必更频繁地给电池充电。尽管电子芯片的计算能力不断增强，但我们口袋里的这些小型计算机的能耗仍然有限。然而，这个极限正在显现，尤其是随着我们在社会中越来越多地发送和接收大量数据。光子学（使用光发送信号）可能是解决方案。但如何将光子芯片与当今的电子芯片结合起来呢？在埃因霍温理工大学，我们正在开创所谓的“混合芯片”，因为我们既拥有合适的生态系统，又拥有专业领域，可以促进这一关键的未来创新。

光子芯片利用光而非电来工作，目前已应用于各种技术中。其中一种技术基于硅，而硅是当今半导体工业的基础材料，因此从理论上讲，凭借现有的能力，这些光子芯片很快就能实现量产。

“硅就像是烧过的沙子，”彼得·巴尔图斯教授解释道。“这很方便，因为海滩上到处都是硅。它是一种具有特殊性质的易于操作和控制的材料。它可以携带或传导少量电流，但也可以阻止电流。因此，硅可以同时充当绝缘体。一半导电，一半绝缘，因此被称为半导体。”

然而，光子芯片的一个重要方面是，穿过它们的不是电流（电），而是光。“因此，你对半导体的依赖程度较低，而主要依赖玻璃纤维。当谈到我们的互联网连接时，许多人都知道玻璃纤维，但在芯片生产中，它仍然是一项新兴技术。我们还不能替换当前芯片上的所有电子元件，让光穿过它们，”巴尔图斯在概述这个问题时说。

然而，硅在光子芯片中的应用仍有待改进。例如，硅无法用于制造激光器或光源。

另一方面，磷化铟是一种非常适合用于带激光器的光子芯片的材料。然而，它仍然与芯片生产中的其他基本组件不兼容。“电子和光子之间的连接可能性仍然太有限了，”巴尔图斯简单地总结道。“理想的是最终将所有东西都放在一个芯片上，芯片上既有电子元件，也有光子元件。但就目前而言，我们主要需要看看有哪些选择可以结合不同的技术，并弄清楚我们的投资方向。”

未来几年，埃因霍温理工大学将凭借其旗舰项目“未来芯片”扩大其在荷兰半导体学术界的关键地位。通过这一举措，该大学将推动芯片技术的发展，以加速创造解决方案，以应对该领域的主要社会、经济和地缘政治挑战。

那么，在芯片行业，光子学离不开电子技术，因为电子技术需要芯片上的光来实现现代生活快速数字化所要求的规模飞跃。但为什么电子技术需要芯片上的光呢？Baltus 的科学同事Martijn Heck用另一种方式来表述这个问题：“这与我们不断从设备到数据中心再到其他设备来回发送的大量数据有关。尤其是现在人工智能的发展呈指数级增长。”

“所有这些设备和数据中心都与芯片一起工作，在芯片上，数据通过金属针脚以电子方式传输。但如今数据量太大，针脚几乎无法容纳数据。在某些时候，你必须用光通道替换这些针脚。这意味着这些芯片也必须包含光子元件。不是为了进行复杂的计算，而是为了将数据传输到芯片和从芯片传输数据。”

另一个挑战是越来越小的芯片元件，例如晶体管，现在已接近原子大小。“目前一块电子芯片理论上包含多达 1.6 亿个晶体管收音机，”Baltus 说道。制造越来越小的此类元件的制造方法是埃因霍温理工大学的研究课题。然而，这种限制需要一种能够满足我们数据流量需求增长的新型芯片。

简而言之，未来几十年所有重大数字挑战都没有万能的解决方案。芯片设计、工艺和材料以及设备（设备）领域必须融合。

“这是异构集成的时代，”Heck 说道。在这里，异构集成是指将计算组件集成到一个芯片上的过程，而这些组件采用不同的方法制造并以不同的方式运行。但是，如何做到这一点呢？

“这是个悬而未决的研究问题，”赫克说。“芯片已经是迄今为止最先进的技术，现在我们需要转向异构版本，这甚至更加复杂。在这一平方厘米的面积上，全世界都在共同努力。”

在这一全球合作中，埃因霍温理工大学占据着特殊的领先地位。至少在 INSPIRE 项目中，这是一个由 Heck 协调的欧洲项目，该项目正在为这种异构芯片开发一种可扩展、坚固且经济高效的打印技术。

“你可以用不同的方式组合芯片。最简单的方法是将两个不同的芯片并排放置，然后用细线将它们连接起来。或者你可以用小焊点将它们叠放在一起，这样你就可以获得垂直的电连接。在 INSPIRE 中，我们也将芯片叠放在一起，但是为了获得垂直的光学连接。为此，你需要非常精密的设备。”

Heck 强调，这种异质光子电子芯片尚未用于我们日常生活中面临的应用和需求。“例如，主要考虑数据中心的通信，所有这些服务器都通过光纤相互连接。或者传感器测量飞机机翼、桥梁或道路部件的完整性，以便我们了解那里是否有问题。这也需要通过光纤，因此拥有合适的芯片非常重要。”

因此，汽车工业、物联网和可穿戴设备等各种应用所需的大量传感器，迫切需要在芯片上结合不同的技术。

“顺便说一句，这种需求并不总是来自市场，”赫克辩称。“这是我们谈论的少数几种技术之一，我们可以谈论技术推动而不是应用拉动。历史表明，我们未来需要这种发展。而且它需要 10 到 15 年的时间来开发，所以这就是紧迫性所在。应用会自然而然地出现。我们不必担心这一点。”

“历史表明，我们将来需要这样的发展。”