深刻解读Intel最新硅光子技术
Intel在本周宣布了一项在硅光电技术上的研究成果——硅基光电雪崩探测器达到了有史以来的最高340GHz的“增益带宽积”。它的意义从整体来看，主要是硅光电子器件性能首次超越同样功能的传统材料光电子器件；而如此好性能的“硅基”探测器也让Intel实现芯片间、芯片内光信号互联的未来目标更近了一大步。也是继Intel在光调制部门采用硅材料得到重大突破后，在光探测部分的又一次重大突破。
第一次听到硅基雪崩探测器，也许真的要崩溃了，你很难想象这和我们用的Intel的CPU和造CPU的Intel有什么关系。而我们在Intel未来技术的很多报道中曾经谈到过硅光电技术，这一次Intel宣布的技术成果突破便和这个有关。根据现在的情况来看，Intel的目标就是今后实现芯片间和芯片内光信号的连接，这样可以让带宽轻松达到GB级别，从而配合未来PC的万亿次甚至十万百万亿次计算的IO问题。
大家比较熟悉的是今年初以及前两年，Intel在硅光电技术上宣布成果的光信号的调制部分，而这次是光信号的探测部分。接下来，我们简单说明一下硅光电技术与传统光电技术的工作流程。
为了了解硅光电技术的发展思路，我们还是从传统光电通信的技术来看起。从大的思路来看，未来的芯片的提速需要芯片间和芯片内的通讯速度大大加快，目前单纯的电子迁移速度不能满足要求，这很容易让我们联想到现有的光通信技术，典型的就是光纤通信。
从上图来看，无论是长达几十公里终端间的光纤通信，还是机房内各机架、服务器间的光纤通讯都已经使用到光纤通讯。而硅光电技术的最大宗旨和目标是做到至少芯片间的通讯，实现向现在我们常见的普通半导体芯片一样的大规模级别的生产，而这也是未来半导体业5-10年发展的重要方向之一。我们记得，曾经在Intel研究日的成果展示上，有人概括一句话：“在硅光电子的PC上，我们存储一部高清电影，也许只要1秒钟。”这种快得可怕的带宽非常令人向往？
我们在来看看Intel硅光子技术，我们这里谈到的硅光子技术只要是指芯片上数据通信技术，而其实硅光电技术离我们并不遥远，数码相机的CCD/CMOS感光元件，太阳能电池，这都是硅光电技术的应用。从上图来看，与传统光通信类似分以下几个部分：光源、光波导、光调制、光探测、封装以及最后的大批量生产。
如果大家关心Intel硅光子相关研究，应该对图上标注的一些标志性成果有印象，尤其是硅调制器在2007年7月的40Gb/s带宽以及在2008年5月用8路硅调制器实现的200Gb/s的成果。在整个工作过程中，我们看到光源产生的信号通过光波导传输到调制器让它可以搭载有用信息，而接下来就是需要探测器来接收这样的信息。那么它就是今天要说的主角——硅基雪崩探测器。
正如传统的光电通信一样，光电探测器的基本原理没有太大不同。而至于什么是“雪崩”？我们一步步来看。
首先来看光电探测器原理示意图，我们看到一个光子进入探测器，激发半导体部分产生一个电子空穴对。而“雪崩”光电探测器，是在原有的半导体中加入了“吸收层”（上图橙色部分），在倍增区施加电场，通过吸收层一个光子激发的一个电子来到倍增区，经过系列电离化后产生10-100倍的电子。
从上面所述可以知道，雪崩探测器由于其特别的结构可以让它在光信号接收这一过程要么缩短传输距离N倍，要么节能N倍。
前面谈到的是光电传输中光探测器工作原理的简单示意，这在目前的光通信中已经广泛应用，例如光纤到户，服务器间的光纤连接，大型终端中继连接等等，其中信号接收部分都需要雪崩光探测器。而大家可以理解的是，Intel要做的是将这一个过程做到微小的芯片中，而这次340GHz增益带宽积的达成也来自芯片上的研究成果。
如上图所示，就是Intel不同的硅光电雪崩探测器，前面谈到的吸收区采用了“锗”，而倍增区使用了硅，从原理来看它为今后芯片级批量化生产打下了不错的基础。也许看过前面的介绍，大家会想到倍增区激发出的10-100倍的电子是随机产生事件会伴随有噪声，控制这个噪声与材料本身特性相关，而根据Intel研究，硅是最好的材料。
另外，吸收区和倍增区是两种完全不同材料在一起，锗原子比硅原子晶格数大4%，应力会因此变大，当原子间应力无法被承受时会造成暗电流。这也是硅基雪崩探测器的研发难点。Intel已经做了很多工作来减小暗电流的产生。
最后看的两张图是说明硅基雪崩探测器这次性能上取得突破的重大意义所在。从第一张图可以看到青色区域的一些III-V族雪崩探测器的性能（是指以化学周期表中III-V族元素做倍增区的雪崩探测器），而上面最高的是这次硅基雪崩探测器的性能。下面的图更是很好说明为什么硅基雪崩探测器取得了如此好的性能。首先纵坐标是增益的倍数，横坐标是信息带宽，可以清楚看到在以往传统的III-V族雪崩探测器上，在10GHz带宽时增益可以达到10倍，这也是它的最高值，随着带宽增加，它的倍数会很低。而硅基雪崩探测器，在10GHz时有30倍以上增益，在40G仍有10倍增益，保证了在10-40G整个带宽范围内平均优秀的的成绩。这也是增益带宽积340GHz的由来！
综上所述，大家可以简单理解硅基雪崩探测器的工作原理与意义，总结一下来有两个方面。第一，硅基的重要性。我们看到现有的III-V族雪崩探测器是用于传统的光通信领域的，这些产品当然已经被广泛使用，但它不可能达到芯片级的批量生产（上亿数量级），它们体积较大（用于服务器间，机架间连接）成本高昂（每个探测器就要200美元以上），而Intel需要的是今后可以用于硅芯片的光通信，所以这次采用硅材料的使用是为批量生产打下了很好的基础。
其次，在性能上基于半导体硅材料的雪崩探测器性能超越传统材料的雪崩探测器，即便是实验样品也要比现有的雪崩探测器小不少。在10-40Gb/s的带宽内具有稳定的增益使增益带宽积保证在300GHz以上，而传统雪崩探测器则无法做到这点。
对于未来芯片来说，硅基雪崩探测器意义非常巨大。雪崩探测器与普通探测器相比，在信息量不变情况下，可以节能数十上百倍；同理如果同样功耗下，可以增加传输距离数十上百倍，这是为芯片设计性能、功耗与距离三大要素增加了灵活的调整砝码。
对于这一技术的发布，Intel展望了相关应用。例如现有的机器间的通信与互联，量子密码技术，光纤入户，2D阵列探测器特殊波段光线的成像等等。但也许大家最为关心的还是这对Intel CPU、处理器或者更多芯片可以带来什么，何时才能看到产品，尤其是民用级别产品。
Intel表示，对于批量级生产目前还没有具体明确日程。正如以前我们知道硅调制器的突破一样，探测器、封装方面仍有很多地方需要改进和突破。目前，光探测器的研究方向仍是进一步提高其速度。但我们认为，在传统半导体材料硅上实现了雪崩探测器是迈向大规模芯片级量产的第一步，也是最重要的一步（不可能指望III-V族雪崩探测器做芯片）。
综合我们在今年中Intel 研究日上了解的内容，在未来5年-10年间，如果不出意外Intel的硅光子技术至少会应用于芯片与芯片间的互联。从现在产品性能来看，它已经超越了现有传统光电通信的性能。而我们知道，服务器，机架，终端间光纤通信数量相对芯片来说很少，设备的布置可以个体调校，而芯片生产则不允许这样。所以，我们也期待Intel硅光电技术在大批量“封装”这一环取得突破，这个时间相信不会太久了。
以上内容根据英特尔公司企业技术事业部光电子技术研究室高级演技员 亢宜敏 讲解和问答整理，下面是现场的速记整理。
Q&A：
记者：我想回到第13页的PPT当中，关于您刚才讲到我认为最重要的一点就是它的意义所在，您刚才讲到一共三个方面，一个是速度，一个是节能，一个是距离。光的过程包括光波导、光调制、光探测，光探测应该只是其中一方面。那么在光探测方面带来的效果，对于整个光路的传输过程中它的作用有多大，就是说瓶颈在什么地方？
亢宜敏：对于光通讯来说要看整个系统的性能，所以说每一个环节，无论是激光器、调制器等它们的功能都非常重要，不能说某一个部件是瓶颈。比如说在激光器性能提高的话，各个系统的性能也会相应提高。同样，雪崩探测器如果可以把它做得灵敏度更高一些的话，就会缓解性能对其他部件的要求。所以，我们说看到是雪崩探测器灵敏度的提高，但是实际上这个提高值作用在整个系统当中，一个很灵敏的雪崩探测器整个系统的能量也得到了提升。
记者：我能这样理解吗，您刚才提到的节能和速度都是针对整个系统的，而不仅仅是光探测方面得到的？
亢宜敏：对。
记者：暗电流怎么能够消除呢？是通过补偿电路还是有特殊的工艺可以消除？
亢宜敏：多多少少都会有暗电流，暗电流第一方面是由半导体自身的性能来决定的，最好的降低暗电流的办法就是使半导体，比如说质量越高越好，那么它里面的缺陷浓度越低越好。当半导体或者说里面材料的性能都已经给它提高到了某一个极限的时候，这时候还可以通过设计对器件的设计来进一步降低暗电流，想一些办法，比如说使器件内部比较薄弱的地方，比如说电压、电场低一些，这些地方产生的暗电流就会相应少一些，有各种各样的办法可以降低暗电流，无论是从材料，还是从设计都可以降低探测器的暗电流，有很多的办法。
记者：这些方法会不会反而增加成本呢？
亢宜敏：对于硅基的器件来说，对于成本的提高基本上应该没有。如果比较硅和III V 族来看的话，硅是一个价格又低而且晶体质量又好的材料，可以说是一个非常好的半导体材料。所以，我们这个探测器因为使用了硅，所以它本身器件材料，硅方面的材料质量就已经很不错了。但是我也提到了，其中一个挑战就是界面会有应力，这个应力会产生额外的暗电流，我们现在通过对器件的设计避免产生暗电流，这是通过设计来决定的，如果你想到一个巧妙的器件结构，那么就可以避免暗电流的产生。
记者：我有两个问题，一个是关于这个技术的大批量生产现在有没有计划？第二个问题是我想知道是在这个硅基雪崩光电探测器的制造中Numonyx公司采用了什么样节点的工艺技术？
亢宜敏：我先回答你的第一个问题，就是关于大规模生产还有它的时间表的问题。我要强调的是，我们今天是一个科技研究突破的新闻发布，向大家展示的是科学研究成果。到现在这个还属于实验室的研究阶段，并不是一个新产品的发布。所以，我们仍在致力于这一方面进一步提高器件的性能。至于什么时候把这项技术推广到大规模生产的方面，是要由公司的产品部来进行规划，来决定何时推出以及什么样的方式推到市场当中。所以现在只是一个科技方面的成果向大家来宣布。
关于第二个问题，我们用的就是传统的CMOS工艺技术，如果你看我们器件的尺寸的话，实际上它是非常大的，只要是普通的CMOS都可以生产。我们现在芯片做到8寸，现在还处于研究阶段。
记着：我想问一下硅基雪崩探测器在成像遥感传感方面的应用，首先第一个问题，刚才您谈到它可以组成2D矩阵，这个矩阵大概是什么样的规模？主要适合哪些领域的传感成像？
亢宜敏：我们现在还没有做这方面的研究，作二维的矩阵还只是我们一个设想。就理论上来讲，因为CMOS是一项非常成熟的技术，而且CMOS无论是它的稳定性还是它的出品率都很高，所以我们认为应该可以做到很大范围二维的列阵。比如它在成像方面的应用，就如同大家现在用CCD的照相机，这样就是一个二维的列阵。但是，我们这个器件是用在红外的领域，它将是红外CCD类似于照相机一样的东西，这在很多方面都会有应用。但是我们现在还没有开始做这方面的具体研究。
记者：这只是用于红外领域，而不是用于可见光领域是吗？
亢宜敏：对，可见光领域实际上硅自己就可以做到了。
记者：刚才你说到硅光电子技术将可以让摩尔定律持续有效，那是否意味着利用现有的金属互连技术已经无法让摩尔定律继续提升了？
亢宜敏：就长远来看，因为现在互联网的应用，大家对于数据传输的速度要求越来越高，如果我们仍然保持这样的数据传输的发展趋势的话，不远的将来用金属导线来传播数据几乎是不大可能的。另外还有一个趋势是，大家都知道个人电脑它的CPU已经开始转向多核的结构，那么，核与核之间的数据传递也是需要非常快速的。如果核的计算速度很快，可是核与核之间的数据交换非常慢的话，这会影响到计算机运行的性能。所以，不久的将来，我觉得应该要由光来慢慢代替金属件的数据传输。
记者：如果是这样情况产生的话，那对于制程技术上也会要有一些改变是吗？
亢宜敏：如果把硅基光电子技术加到芯片上面去的话会有一些影响，但是我们现在正在努力，就是要用CMOS这个技术使得光通讯上面得到的好处也可以用到硅上面。
记者：什么是增益带宽积？
亢宜敏：增益带宽积是增益和带宽的积，既代表了增益也反应的带宽，带宽就是数据的传输速度如果有很高的增益带宽积的话，是同时预示着既可以得到很高的增益，也可以得到很高的带宽或者是速度。
记者：现在如果要大量商用化的时候还有很多的工作去努力。如果就规格来讲，以增益带宽积的规格，要达到商用化的阶段大概需要什么样的程度才适合商业应用的阶段？
亢宜敏：就现阶段来说，现在340GHz就已经是很好的进入点了。用把一个雪崩探测器放在一个系统上来看的话，接收器有另外一个参数就是灵敏度，这也是一个非常重要的指标。现在可以从市场上买到的雪崩探测器灵敏度是负28dbm，现在我们也得到这样灵敏度的指标。现在我们的器件也可以做到同等水平在市场上可以买到产品的阶段。至于说还要发展到哪个阶段还会更加适合于进入市场？我觉得进入市场有很多因素，比如说成本也是很重要的因素。当我们的器件可以提供同样功能，而它的成本确实现有的1/10，甚至更少的话我想其实也足够了。
记者：您现在讲的这项技术具有一定的前瞻性，未来继承这项技术的产品是不是可以这样理解，有三个优点，因为基于硅成本会更低，还有是能耗降低，还有抗干扰的性能会增加？
亢宜敏：我觉得你说的都对。
记者：如果说高K解决了英特尔制程技术的难题的话，硅光电子学技术就解决了在通讯方面的技术，我关心的是刚才你也提到在众核上面未来光电子学更有它的优势，在英特尔明年要面世的Larrabee的一些延展技术方面会不会采用硅光电子学技术？
亢宜敏：我现在只是负责这项技术的研发。至于如何将这项技术应用到英特尔其他领域，我想这方面会由公司的开发部门来决定。
记者：有一个问题需要您确认一下，利用硅光电子学技术可以达到金属导线平均100倍速度的提升，现在增益的技术是不是可以理解为达到1000倍的速度提升，是不是意味着成本不需要降得那么低就可以大量使用了，理论上是否可以这样说呢？
亢宜敏：其中有一张PPT上面显示我们现在可以做到200Gpbs的速度，这个速度远远超过金属线达到的速度，现在我们还有很长的路要走，如何把这个技术加到个人电脑比如说芯片当中去，或者放在芯片的旁边来完成芯片与芯片之间的连接。还有很多的细节需要我们来考虑和克服，现在我们只是提供这样一个新的器件——雪崩探测器，它使得光电子领域多了这样一个工具，用它的话可以得到要么更高的速度，要么更低的能耗。
记者：现在我们在性能上已经遥遥领先了，说欠缺的是怎么能够把这个性能用更低的成本做到芯片与芯片的连接上，在这方面有什么可以透露的信息吗？
亢宜敏：我们一直有这个问题，就是需要更好把这个技术应用到现在应用当中，比如说组装到芯片当中，现在有组装还有可靠性方面的问题。但是，这些在我们看来理论上讲都不应该是不能克服的问题。尤其是现在我们有很多方面的重大突破，我们是非常有希望把这项技术将来应用到真正电脑当中，使得我们的电脑能够有更好的速度性能指标或者是其他方面的功能。
记者：我想问一下您刚才提到已经可以做到芯片当中了，是这样的吗？
亢宜敏：现在雪崩探测器做到了硅芯片当中，但是还没有和其他器件做芯片上面的集成。
记者：从理论上来说，它有没有可能做到芯片内部的连接呢？
亢宜敏：这也是我们在研究领域方面的一部分。
记者：能否透露一下你们下一步的研究方向？是继续增大增益带宽积，还是说要考虑到成本或者是减少器件尺寸等方面的问题？有具体方向方面的内容可以透露吗？
亢宜敏：大的方向来说，我们基本上是想把这个器件推到更高速，现在发表的这篇文章，速度是用在十几Gpbs，下面想用到40Gpbs，在这方面要改变大小或者是形状，这是我们目前正在关注的一个方向。
记者：我想问一下基于III V 族材料的雪崩探测器是处于大规模生产的状态吗？
亢宜敏：III V 族的雪崩探测器如果您了解这一领域的话，实际上这种半导体的价格非常昂贵，而且由于它自身性能的原因，它的芯片大小现在远远比不上硅的芯片大小，现在好像有2、3寸，它的材料非常脆，如果做得很大的话就容易破碎。因为这方面的原因——而且它的工艺也非常复杂——所以，它即使是规模生产也和硅的大规模生产是不可以相提并论的。
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