集成電路芯片

高速芯片是一種專門設(shè)計(jì)用于處理高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募呻娐沸酒Ｋ鼈兺ǔＳ糜诰W(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和其他需要高速數(shù)據(jù)傳輸和處理的應(yīng)用中。根據(jù)不同的功能，高速芯片可以分為幾類：

高速信號(hào)傳輸芯片：這類芯片在高速接口通道中起到輔助傳輸?shù)淖饔?，是信?hào)傳輸?shù)臉蛄骸Ｋ鼈兊闹饕卣魇禽斎?輸出接口相同、傳輸數(shù)據(jù)格式不變、數(shù)據(jù)內(nèi)容不變。具體可以分為中繼芯片、切換芯片、分配芯片以及矩陣交換芯片。

中繼芯片：主要用于增強(qiáng)信號(hào)的傳輸能力，糾錯(cuò)恢復(fù)時(shí)鐘。

切換芯片：用于切換不同的源信息作為輸入，并輸出其中一路的高速信號(hào)。

分配芯片：將一組高速源信息分出多組相同的輸出信號(hào)。

矩陣交換芯片：用于多路輸入高速信號(hào)到多路輸出高速信號(hào)間的切換。23

高速存儲(chǔ)芯片：這類芯片用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以分為易失性存儲(chǔ)芯片和非易失性存儲(chǔ)芯片兩類。它們廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、相機(jī)、數(shù)據(jù)中心等各種設(shè)備中，用于存儲(chǔ)和處理各種數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)芯片的速度和可靠性不斷提高，能耗不斷降低，未來將繼續(xù)向更高速度、更大容量、更低功耗的方向發(fā)展。

隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字化已經(jīng)成為了我們生活中不可或缺的一部分。而在數(shù)字化的背后，高速芯片則是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的核心技術(shù)。高速芯片是指在電子設(shè)備中運(yùn)行的微處理器，它能夠快速地處理數(shù)據(jù)和信息，并且在現(xiàn)代科技的發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。

高速芯片的出現(xiàn)，使得數(shù)字化的應(yīng)用更加廣泛。從智能手機(jī)到電腦，從智能家居到工業(yè)控制，高速芯片都扮演著重要的角色。高速芯片的出現(xiàn)，大大提升了數(shù)字化設(shè)備的性能和速度，使得數(shù)字化應(yīng)用更加普及化和便捷化。

高速芯片的重要性也在不斷地被證明。在人工智能領(lǐng)域，高速芯片的應(yīng)用更是不可或缺。人工智能需要大量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，而高速芯片的出現(xiàn)，使得人工智能的發(fā)展更加迅速。高速芯片的應(yīng)用，不僅提高了人工智能的效率和精度，同時(shí)也為人工智能的發(fā)展提供了更加廣闊的空間。

高速芯片的出現(xiàn)，也為數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展提供了新的契機(jī)。在數(shù)字化時(shí)代，數(shù)據(jù)處理和信息傳輸已經(jīng)成為了最為重要的環(huán)節(jié)。而高速芯片的出現(xiàn)，使得數(shù)據(jù)處理和信息傳輸更加高效，也為數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展提供了更加穩(wěn)定和可靠的基礎(chǔ)。

高速芯片是數(shù)字化時(shí)代的核心技術(shù)，它的出現(xiàn)使得數(shù)字化應(yīng)用更加廣泛化和便捷化，同時(shí)也為人工智能的發(fā)展提供了更加廣闊的空間。高速芯片的應(yīng)用，不僅提高了數(shù)字化設(shè)備的性能和速度，同時(shí)也為數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

高速信號(hào)傳輸芯片簡介

高速信號(hào)傳輸芯片指在各類高速接口通道中發(fā)揮輔助傳輸作用的芯片，是信號(hào)傳輸?shù)臉蛄骸８咚傩盘?hào)傳輸芯片的主要特征是：輸入/輸出接口相同、傳輸數(shù)據(jù)格式不變、數(shù)據(jù)內(nèi)容不變。根據(jù)功能的不同，高速信號(hào)傳輸芯片可細(xì)分為中繼芯片、切換芯片、分配芯片以及矩陣交換芯片。

中繼芯片主要應(yīng)用于增強(qiáng)信號(hào)的傳輸能力，糾錯(cuò)恢復(fù)時(shí)鐘;切換芯片主要應(yīng)用于切換不同的源信息作輸入，輸出其中一路的高速信號(hào);分配芯片主要應(yīng)用于將一組高速源信息分出多組相同的輸出信號(hào);矩陣交換芯片主要應(yīng)用于多路輸入高速信號(hào)到多路輸出高速信號(hào)間的切換。上述各類高速信號(hào)傳輸芯片功能示意圖如下：

(2)高速信號(hào)傳輸芯片市場(chǎng)概況

隨著人類社會(huì)步入數(shù)字時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、5G 通訊、無人駕駛等數(shù)字新興產(chǎn)業(yè)的涌現(xiàn)與發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上升趨勢(shì)，各類高速傳輸協(xié)議不斷更新升級(jí)，進(jìn)而終端應(yīng)用對(duì)于高速信號(hào)傳輸芯片解決方案的需求也不斷攀升。2020 年，全球高速信號(hào)傳輸芯片市場(chǎng)規(guī)模約 34.14 億元人民幣，預(yù)計(jì) 2025 年全球高速信號(hào)傳輸芯片市場(chǎng)規(guī)模將達(dá) 63.37 億元人民幣，2020-2025 年復(fù)合增長率為 13.17%。

2020 年中國大陸高速信號(hào)傳輸芯片市場(chǎng)規(guī)模約 7.50 億元人民幣，受益于車載顯示等下游領(lǐng)域的發(fā)展，2025 年中國大陸高速信號(hào)傳輸芯片市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 15.69 億元人民幣，2020-2025 年復(fù)合增長率約 15.91%，整體增速高于全球市場(chǎng)。

像瑞士蘇黎世這樣的城市中，光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛用于實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電話、電視以及基于網(wǎng)絡(luò)的視頻流或者音頻流服務(wù)。但是，到這個(gè)十年末，在高速數(shù)據(jù)傳輸方面，即使光通信網(wǎng)絡(luò)也可能會(huì)達(dá)到其極限。

這是因?yàn)榱髅襟w、存儲(chǔ)與計(jì)算等在線服務(wù)的需求不斷增長，以及人工智能和5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。當(dāng)今的光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了每秒吉比特(10^9比特)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率。每個(gè)通道和波長的限制為每秒100吉比特左右。然而，未來數(shù)據(jù)傳輸速率的需求將達(dá)到每秒太比特(10^12比特)的范圍。

創(chuàng)新

近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)的研究人員開發(fā)出一款超高速芯片，可以加快光纖網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速度。該芯片同時(shí)結(jié)合了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，鑒于人們對(duì)于流媒體和在線服務(wù)的需求不斷增長，它代表著一項(xiàng)重大進(jìn)展。相關(guān)論文發(fā)表在《自然·電子學(xué)(Nature Electronics)》雜志上。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)了科學(xué)家們約二十年來一直在追求的目標(biāo)。在作為歐盟地平線2020計(jì)劃研究項(xiàng)目一部分的實(shí)驗(yàn)室工作中，他們制造出了這款芯片。高速電子信號(hào)在芯片上可被直接轉(zhuǎn)換成超高速光信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量幾乎沒有損失。這代表著在使用光傳輸數(shù)據(jù)的光通信基礎(chǔ)設(shè)施(例如光纖網(wǎng)絡(luò))的效率方面取得了重大突破。

技術(shù)

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院光子與通信系教授于爾格·魯特霍爾德(Juerg Leuthold)表示：“不斷增長的需求呼喚新的解決方案。這個(gè)范式轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵在于，將電子元件與光子元件結(jié)合到單顆芯片上。”光子學(xué)(光粒子科學(xué))領(lǐng)域研究用于信息傳輸、存儲(chǔ)和處理的光學(xué)技術(shù)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員現(xiàn)在已經(jīng)精確地實(shí)現(xiàn)了這一組合。在與來自德國、美國、以色列和希臘的伙伴們合作開展的實(shí)驗(yàn)中，他們首次在同一顆芯片上將電子元件與光基元件結(jié)合到一起。從技術(shù)角度來看，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，因?yàn)槟壳斑@些元件必須在不同的芯片上制造，然后通過線連接到一起。

這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)作者、魯特霍爾德課題組的博士后研究員烏利·科赫(Ueli Koch)解釋道，這種方法會(huì)帶來后果：從一方面說，分別制造電子芯片和光子芯片是很昂貴的。從另一方面說，在將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化光信號(hào)的過程中，性能會(huì)受到影響，從而限制了光纖光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速度。

科赫表示：“如果你用兩個(gè)單獨(dú)的芯片將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，你的信號(hào)質(zhì)量會(huì)大大受損?！币虼耍姆桨甘菑恼{(diào)制器開始。調(diào)制器是一種位于芯片上的元件，通過將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光波生成給定強(qiáng)度的光。調(diào)制器的尺寸必須盡可能小，以避免轉(zhuǎn)化過程中的質(zhì)量和強(qiáng)度的損耗，并且以更快的速度傳輸光(或者說是數(shù)據(jù))。

將電子和光子元件緊緊地放在彼此的頂部，并通過“片上通孔”的方式將它們直接連接到芯片上，可以實(shí)現(xiàn)這種緊湊性。電子器件與光子器件的這種層疊，縮短了傳輸距離并減少了信號(hào)質(zhì)量方面的損耗。因?yàn)殡娮悠骷c光子器件安裝在單個(gè)基底上，所以研究人員將這個(gè)方案描述為“單片共集成(monolithic co-integration)”。

單片的“電子-等離子體光子“高速發(fā)射器(圖片來源：參考資料【1】)

過去二十年來，單片方案有過失敗，因?yàn)楣庾有酒入娮有酒蟮枚唷Ｓ跔柛瘛斕鼗魻柕抡f，這妨礙了它們集成到單顆芯片上。光子元件的尺寸，使之無法與現(xiàn)今電子產(chǎn)品中流行的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)結(jié)合到一起。

魯特霍爾德表示：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)用等離子體光子器件取代普通的光子器件，解決了光子器件與電子器件之間的尺寸差異問題?！笔陙?，科學(xué)家們一直在預(yù)測(cè)，等離子體光子學(xué)(Plasmonics)，作為光子學(xué)的一個(gè)分支，將為超高速芯片奠定基礎(chǔ)。等離子體光子學(xué)可以讓光波擠進(jìn)比光波長小得多的結(jié)構(gòu)中。

單顆芯片上結(jié)合了電子技術(shù)和等離子體光子技術(shù)，因此可以放大光信號(hào)，并更快地傳輸數(shù)據(jù)。(圖片來源：IEF/Springer Nature Ltd.)

由于等離子體光子芯片比電子芯片要小，所以我們現(xiàn)在實(shí)際上可以制造出包含光子層和電子層的更緊湊的單塊芯片。為了將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為更快的光信號(hào)，光子層(上圖中紅色部分)包含了一個(gè)等離子體光子強(qiáng)度調(diào)制器，它是基于引導(dǎo)光達(dá)到更高速度的金屬結(jié)構(gòu)。

這也帶來了電子層(上圖中藍(lán)色部分)中的速度提升。在稱為“4:1 多路復(fù)用”的過程中，四個(gè)低速輸入信號(hào)被捆綁和放大，以便它們?cè)谝黄鹦纬筛咚匐娦盘?hào)?？坪毡硎荆骸叭缓螅鼤?huì)被轉(zhuǎn)化成一個(gè)高速光信號(hào)。通過這種方式，我們首次在單塊芯片上以超過每秒100吉比特的速度傳輸數(shù)據(jù)?！?

為了達(dá)到破紀(jì)錄的速度，研究人員不僅將等離子體光子技術(shù)與經(jīng)典的 CMOS 技術(shù)結(jié)合起來，而且還結(jié)合了更高速的雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)技術(shù)。他們也利用了來自華盛頓大學(xué)的溫度穩(wěn)定的新型電光學(xué)材料，并借鑒了地平線2020項(xiàng)目 PLASMOfab 和 plaCMOS 的見解。據(jù)魯特霍爾德稱，他們的實(shí)驗(yàn)表明，這些技術(shù)可以結(jié)合起來創(chuàng)造最快的小型芯片：“我們堅(jiān)信，這個(gè)解決方案也將為未來光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)中更快的數(shù)據(jù)傳輸鋪平道路。”