硅光二极管（硅发光二极管诞生）

硅发光二极管(硅发光二极管诞生)

大约50年前，英特尔的联合创始人戈登·摩尔预测，计算机芯片中封装的晶体管数量每两年将翻一番。这个臭名昭著的预言，即摩尔定律，很好地证明了这一点。当英特尔在20世纪70年代初发布其首款微处理器时，它只有2000多个晶体管。今天，iPhone中有数十亿个处理器。但是一切都结束了，摩尔定律也不例外。

充当计算机脑细胞的现代晶体管只有几个原子长。如果包装太紧，可能会导致各种问题:电子交通堵塞、过热和奇怪的量子效应。一种解决方案是用光学连接代替一些电子电路，光学连接使用光子而不是电子在芯片周围传输数据。但有一个问题:硅是电脑芯片中的主要材料，其发光性能很差。

周三，由荷兰埃因霍温理工大学物理学家埃里克·巴克斯领导的研究小组在《自然》杂志上发表了一篇论文，详细介绍了他们如何制造出能够发光的硅合金纳米线。这是一个物理学家几十年来一直试图解决的问题，但巴克斯说，他的实验室已经在使用这项技术开发一种微型硅激光器，可以内置到计算机芯片中。将光子电路集成到传统电子芯片中，可以在不提高芯片温度的情况下实现更快的数据传输和更低的能耗，这对于机器学习等数据密集型应用尤其有用。

“这是一个巨大的突破。他们可以证明由硅混合物制成的纳米线的发光，因为这些材料与计算机芯片行业使用的制造工艺兼容，”马克斯·普朗克光学科学研究所微光学小组负责人帕斯卡尔·德尔·海伊(Pascal Del Hay)说，他没有参与这项研究。\”在未来，这可能使生产结合光学和电子电路的微芯片成为可能。\”

巴克斯说，让硅吐出光子的关键在于它的结构。典型的计算机芯片是建立在一薄层硅上的。硅是计算机芯片的理想介质，因为它是一种半导体，一种仅在特定条件下导电的材料。这个特性允许晶体管作为数字开关工作，即使它们没有任何移动部件。相反，只有在晶体管上施加一定的电压时，它们才会导通和截止。

在晶片中，硅原子排列在立方晶格中，允许电子在特定的电压条件下在晶格中移动。但它不允许光子进行类似的运动，这就是为什么光不能轻易穿过硅。物理学家假设，改变硅晶格的形状，使其由重复的六边形而不是立方体组成，将允许光子在材料中传播。但事实证明，要真正做出这种六方晶格是非常困难的，因为硅想要以最稳定的立方形式结晶。40年来，人们一直试图制造六角形硅，但没有成功。

巴克斯和他在埃因霍温的同事们已经致力于创造一个六边形硅晶格大约十年了。他们的一些解决方案包括使用砷化镓制成的纳米线作为支架，来生长具有所需六角形结构的硅锗合金制成的纳米线。向硅中添加锗对于调整光的波长和材料的其他光学特性是非常重要的。“花的时间比我预期的要长，”巴克斯说。“五年前我就期望能在这里，但整个过程中有很多微调。”

为了测试硅合金纳米线是否发光，巴克斯和他的同事用红外激光将其爆炸，并测量另一侧发出的红外光量。当红外光接近激光注入系统的能量时，Bacchus和他的同事检测到了从纳米线中流出的能量，这表明硅纳米线在传输光子方面非常有效。

巴克斯说，下一步将使用他们开发的技术制造一种由硅合金制成的微型激光器。巴克斯说，他的实验室已经开始了这项工作，年底前可能会有一个工作的硅激光器。在此之后，下一个挑战将是如何将激光与传统的电子计算机芯片相结合。“这将是非常严重的，但也将是困难的，”巴克斯说。我们正在集思广益，寻找这样做的方法。\”

然而，未来的计算机芯片不会完全是光学的。在微处理器等元件中，使用电子来移动晶体管之间的短距离仍然是有意义的。但对于“长”距离，如计算机CPU和内存之间的距离或小晶体管集群之间的距离，使用光子而不是电子可以提高计算速度，同时降低能耗和系统散热。电子必须串行传输数据，一个电子必须依次传输数据，而光信号可以以物理学中最快的速度(光速)在多个通道上同时传输数据。

这项研究真的在实用的基于光的计算上又迈出了重要的一步。半个世纪以来，电子计算机芯片忠实地满足了我们的计算需求，但在我们这个数据匮乏的世界，是时候让处理器快速发展了。