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(yù)測(cè)，計(jì)算機(jī)芯片中封裝的晶體管數(shù)量每?jī)赡陮⒎环?。這個(gè)臭名昭著的預(yù)言，即摩爾定律，很好地證明了這一點(diǎn)。當(dāng)英特爾在20世紀(jì)70年代初發(fā)布其首款微處理器時(shí)，它只有2000多個(gè)晶體管。今天，iPhone中有數(shù)十億個(gè)處理器。但是一切都結(jié)束了，摩爾定律也不例外。

充當(dāng)計(jì)算機(jī)腦細(xì)胞的現(xiàn)代晶體管只有幾個(gè)原子長(zhǎng)。如果包裝太緊，可能會(huì)導(dǎo)致各種問題:電子交通堵塞、過熱和奇怪的量子效應(yīng)。一種解決方案是用光學(xué)連接代替一些電子電路，光學(xué)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(gè)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(xué)物理學(xué)家埃里克·巴克斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了他們?nèi)绾沃圃斐瞿軌虬l(fā)光的硅合金納米線。這是一個(gè)物理學(xué)家?guī)资陙?lái)一直試圖解決的問題，但巴克斯說(shuō)，他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在使用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)一種微型硅激光器，可以內(nèi)置到計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和更低的能耗，這對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用尤其有用。

“這是一個(gè)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?yàn)檫@些材料與計(jì)算機(jī)芯片行業(yè)使用的制造工藝兼容，”馬克斯·普朗克光學(xué)科學(xué)研究所微光學(xué)小組負(fù)責(zé)人帕斯卡爾·德爾·海伊(Pascal Del Hay)說(shuō)，他沒有參與這項(xiàng)研究。\"在未來(lái)，這可能使生產(chǎn)結(jié)合光學(xué)和電子電路的微芯片成為可能。\"

巴克斯說(shuō)，讓硅吐出光子的關(guān)鍵在于它的結(jié)構(gòu)。典型的計(jì)算機(jī)芯片是建立在一薄層硅上的。硅是計(jì)算機(jī)芯片的理想介質(zhì)，因?yàn)樗且环N半導(dǎo)體，一種僅在特定條件下導(dǎo)電的材料。這個(gè)特性允許晶體管作為數(shù)字開關(guān)工作，即使它們沒有任何移動(dòng)部件。相反，只有在晶體管上施加一定的電壓時(shí)，它們才會(huì)導(dǎo)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(dòng)。但它不允許光子進(jìn)行類似的運(yùn)動(dòng)，這就是為什么光不能輕易穿過硅。物理學(xué)家假設(shè)，改變硅晶格的形狀，使其由重復(fù)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(shí)證明，要真正做出這種六方晶格是非常困難的，因?yàn)楣柘胍宰罘€(wěn)定的立方形式結(jié)晶。40年來(lái)，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(jīng)致力于創(chuàng)造一個(gè)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(lái)生長(zhǎng)具有所需六角形結(jié)構(gòu)的硅鍺合金制成的納米線。向硅中添加鍺對(duì)于調(diào)整光的波長(zhǎng)和材料的其他光學(xué)特性是非常重要的?！盎ǖ臅r(shí)間比我預(yù)期的要長(zhǎng)，”巴克斯說(shuō)?！拔迥昵拔揖推谕茉谶@里，但整個(gè)過程中有很多微調(diào)。”

為了測(cè)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(cè)量另一側(cè)發(fā)出的紅外光量。當(dāng)紅外光接近激光注入系統(tǒng)的能量時(shí)，Bacchus和他的同事檢測(cè)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(shuō)，下一步將使用他們開發(fā)的技術(shù)制造一種由硅合金制成的微型激光器。巴克斯說(shuō)，他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始了這項(xiàng)工作，年底前可能會(huì)有一個(gè)工作的硅激光器。在此之后，下一個(gè)挑戰(zhàn)將是如何將激光與傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)芯片相結(jié)合。“這將是非常嚴(yán)重的，但也將是困難的，”巴克斯說(shuō)。我們正在集思廣益，尋找這樣做的方法。\"

然而，未來(lái)的計(jì)算機(jī)芯片不會(huì)完全是光學(xué)的。在微處理器等元件中，使用電子來(lái)移動(dòng)晶體管之間的短距離仍然是有意義的。但對(duì)于“長(zhǎng)”距離，如計(jì)算機(jī)CPU和內(nèi)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(jì)算速度，同時(shí)降低能耗和系統(tǒng)散熱。電子必須串行傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)電子必須依次傳輸數(shù)據(jù)，而光信號(hào)可以以物理學(xué)中最快的速度(光速)在多個(gè)通道上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

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

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