随着互连技术成为越来越具有挑战性的系统瓶颈，一些研究人员——甚至像英特尔这样的大公司——相信硅光子学将成为隧道尽头的一束光芒。 

一些分析人士声称，随着3nm技术的到来，摩尔定律将戛然停止。大多数时候，这种讨论都围绕着缩小设备中量子效应的问题展开。然而，另一个（也可以说是更重要的）问题是互连，它正日益成为系统的瓶颈。

对于超越摩尔定律的设备改进的综合需求，以及传统互连方案的功能的削弱，正在为硅光子学领域铺平道路。虽然这个领域不一定是新的，但它正在获得越来越多的关注。在2020年12月，英特尔在其年度“实验室日”上表示，该公司正在积极研究硅光子技术，“通过为未来的数据中心和光连接网络推进光和硅技术的集成，从而克服电I/ O的限制。”

在本文中，我们将讨论传统IC面临的挑战，对硅光子技术的需求，并重点介绍科学家使用硅光子学创建改进的超声传感器的最新研究。  

互连瓶颈 

目前集成电路领域有两个总体趋势：设备越来越小，芯片面积越来越大（由于集成度的提高）。这些趋势的结果是，互连（而不是器件）实际上已成为IC设计中的最大瓶颈之一。 

IC上的互连直接受它们的几何形状和彼此相邻的位置影响

总的来说，互连线正在被迫变成更小的几何形状，宽度和厚度都在减少，而全局互连线（如时钟线）也在变长，以适应更大的芯片尺寸。

此外，集成度的提高还创造了更多的金属层，这些金属层之间的距离更近。所有这些都导致互连阻抗大幅增加，其中寄生电阻、电容和电感变得比晶体管本身的阻抗更加突出。 

互连正在成为IC设计的瓶颈。图片由Grzela等提供 。 

硅光子技术：可能的解决方案

许多人认为，解决这些问题的方法是硅光子学。  

硅光子学使用光进行通信。图片由Luxtera和IEEESpectrum提供 

硅光子学是IC的一种形式，其中光子集成电路是建立在硅上的。在这些电路中，与通过铜互连的电信号相反，数据是通过波导通过光在芯片周围传输和移动的。结果是一种技术消除了对互连瓶颈日益增加的关注，从而无需缩小晶体管尺寸就能创建更快的IC。

硅光子学是一种集成电路的形式，其中光子集成电路建立在硅上。在这些电路中，数据通过光波导在芯片上传输，而不是通过铜互连的电信号。其结果是，这种技术避开了人们日益关注的互连瓶颈，在不必缩小晶体管尺寸基础上，创造出速度更快的芯片速度。

到目前为止，该技术仅限于研究，但是有强烈的推动力，最终将其推向工业界，以寻求诸如数据中心之类的速度快且耗电大的用例。 

 到目前为止，这项技术还主要局限于研究领域，但人们强烈希望最终可以将其推向工业界，以寻求诸如数据中心之类的速度快且耗电大的用例。 

基于硅光子学的超声传感器

欧洲微电子研究中心（IMEC）的研究人员开发了一种基于硅光子的超声传感器，证明了硅光子技术的应用价值。 

传统的超声波传感器使用压电器件阵列，依靠特定超声波频率下的机械共振。不幸的是，这些技术受到许多因素的限制。例如，压电器件越小，其灵敏度越低，阻碍了其构建大型阵列的能力。 

超声波传感器布局。图片由Westerveld等提供 。

 该项目的研究人员在《自然》杂志上发表一篇文章，提出了一种使用 "分肋 "硅光子波导的新方法。该系统包括一个放置在可移动膜上的主体部分以及基板上的固定肋。两者被放置在一个15纳米宽的间隙中，其中包含一个强电场。

在他们的文章中自然，研究人员建议，使用“split-rib”硅光子波导的一种新方法。该系统由放置在可移动膜片上的主要部分以及基板上的固定“肋骨”（rib）组成。两者被放置在一个15毫米宽的包含强电场的间隙中。

当超声波使膜变形时，电场将极大地改变波导的折射率，这将改变固定rib的共振特性。研究人员能够使用可调激光器读取该波长，从而产生准确的信号。 

光的力量 

据悉，该研究提出的超声波传感器的灵敏度是传统传感器的100倍，显示了硅光子学所能提供的强大能力。随着摩尔定律的终结，互连变得越来越难操作，转而采用硅光子技术可能正是保持该领域进步的解决方案。