李文欽 / 工研院材化所
由於AI資料中心非常耗電，雲端服務供應商正積極開發伺服器節能技術；例如Meta和微軟帶頭開發共封裝光學(CPO)技術，將伺服器面板上的多個光收發器和運算IC直接整合在同一片基板上，可節約因長距離高速電訊號傳導所衍生的電力損耗。去年國內也在科技YouTuber與股市分析師的推波助瀾下，掀起CPO概念股的投資熱潮；過去艱澀難懂的矽光子關聯技術報導儼然成為高點閱率的科普文章。在可預見的將來，光子晶片量產技術將逐漸成熟，進一步將目前電運算加光傳輸晶片推進到全光運算晶片時代。
長久以來矽光子技術利用既有CMOS製程優勢，提供大規模整合的可行路徑，但其本身亦存在無法有效發光與電光效應不足等限制。本篇文章希望幫讀者梳理有哪些關鍵材料可能會影響全光運算晶片技術發展，一起思考光學晶片產業將帶來的材料課題與市場潛力。以上列舉全光運算晶片的材料關鍵字，方便讀者深入挖掘。
【內文精選】
過去數十年，半導體技術發展以電訊號為主體，材料選擇集中於矽(Si)及其延伸體系。然而，隨著資料傳輸速率進入Tbps等級，電互連面臨RC Delay與功耗瓶頸，使得光互連逐漸成為必要解決方案。矽光子(Silicon Photonics)技術利用既有CMOS製程優勢，提供大規模整合的可行路徑，但其本身亦存在無法有效發光與電光效應不足等限制。觀察近年來光子晶片(Photonic Chips)的材料發展，已呈現明顯的多材料整合趨勢。
矽材料非常難發光的主要原因是矽本身是同種原子鍵結，完全沒有電負度差。這種高度對稱且純粹的環境，使得能帶結構保留了間接能隙的特性。在固態物理中，這被稱為中心對稱性(Centrosymmetry)，它限制了某些光學躍遷的發生，讓矽發光是半導體界長久以來的聖杯。雖然矽是間接能隙材料，天生不擅長發光，但科學家為了實現全矽基光電整合（減少對InP等昂貴材料的依賴），發展出了幾種極具創意的研究方向，例如：矽量子點與奈米結構、應變矽技術(Strained Silicon)、矽鍺合金的特殊排列(Hexagonal SiGe)、摻雜稀土元素—鉺(Erbium; Er)、黑矽（在矽表面製造出密集的奈米針狀結構）。
其中，六角結構的矽鍺合金(Hex-SiGe)具有直接能隙特性，且發光效率與砷化鎵(GaAs)相當，被認為是最有機會讓矽基雷射器量產的技術。目前業界的主流方案仍是把發光功率高的磷化銦(InP)晶片貼到矽上，因為上述矽發光研究雖然在實驗室取得了突破，但在量產穩定性、受熱後的衰減以及發光亮度上，暫時還無法完全取代Ⅲ-Ⅴ族材料。
矽本身發光效率雖然不高，但它在光訊號的引導和調製方面表現出色。圖一是Santec在其網站上說明矽光子晶片基本構成，包含光波導(Optical Waveguides)、光學諧振器(Optical Resonators)、電光調製器(Electro-optic Modulators)、光感測器(Photodetectors)、耦合元件(Coupling Elements)等。
圖一、矽光子晶片的基本組成單元
光運算還是光傳輸？
電晶片的專長是邏輯控制(Control Logic)、數據儲存( mory/Register)和數位電路。傳統運作AI資料中心的電運算由3種不同類型的電晶片組成，包括中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)和高頻寬記憶體(HBM)，各司其職缺一不可。深究其功能，CPU/GPU處理器內有大量的邏輯判斷(if-else)、分支預測與指令調度，光子運算很難實現複雜的非線性邏輯判斷。
此外，電子可以輕易地停在電容裡（記憶體），但光一旦產生就必須一直跑，目前還沒有商用化的光隨機存取記憶體(Optical RAM)；而光子運算若需要處理中間變數時，仍需頻繁轉回電訊號存入DDR或HBM。再則，光學運算是類比(Analog)的，光部件容易受到雜訊與熱漂移影響，精度目前不如數位電路精準 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》476期，更多資料請見下方附檔。