近五十年前英特尔的联合创始人Gordon Moore预测，计算机芯片中封装的晶体管数量每两年就会翻番。这个家喻户晓的预测就是摩尔定律，这些年来经受住了时间的考验。英特尔在1970年代初发布第一个微处理器时，晶体管数量是2000只多点。如今，iPhone中的处理器已达数十亿个。但凡事都会走到尽头，摩尔定律也不例外。

充当计算机大脑细胞的现代晶体管只有几个原子长。如果封装过于密集，可能会导致种种问题：电子传输拥堵、温度过高和奇怪的量子效应。一种解决方案就是把一些电子电路换成光子连接，使用光子而不是电子在芯片周围传输数据。但就是有一个问题：计算机芯片中的主要材料硅的发光性能差强人意。

现在一组欧洲研究人员表示，他们终于克服了这个障碍。近日，荷兰埃因霍温科技大学的物理学家Erik Bakkers领导的研究小组在《自然》杂志上发表了一篇论文「1」：

详细介绍了他们如何长出可以发光的硅合金纳米线。这是几十年来物理学家们在努力解决的大难题，不过Bakkers表示，他的实验室已经在使用这项技术来研发可以做入到计算机芯片中的微型硅激光器。将光子电路集成到传统电子芯片上能够在不提高芯片温度的情况下提升数据传输速度，并降低能耗，这使其特别适合机器学习之类的数据密集型应用。

马克斯•普朗克光科学研究所微光子学小组负责人Pascal Del'Haye并未参与这项研究，他说：“他们能够演示由硅混合物制成的纳米线发出光是一项重大突破，因为这些材料与计算机芯片行业中采用的制造工艺兼容。将来，这就有望生产结合光子电路和电子电路的微芯片。”

说到让硅发出光子，Bakkers表示这完全与硅结构有关。典型的计算机芯片是在一层薄薄的硅片（名为晶圆）上面做成的。硅是计算机芯片的理想介质，因为它是半导体，这种材料仅在特定条件下导电。这种特性使晶体管得以即使没有任何活动元件也可以充当数字开关。相反，它们仅在对晶体管施加一定的电压时才打开和关闭。

在圆晶内，硅原子排列成立方晶格，因而电子可以在某些电压条件下在晶格内移动。但这不便于光子进行类似的移动，这就是为什么光无法轻易地通过硅来移动。物理学家们假设：改变硅晶格的形状，以便它由重复的六边形而不是立方体组成，那样光子就可以通过这种材料来传输。但结果证明，实际形成这种六边形晶格异常困难，原因是硅想要以最稳定的立方体形式成形。Bakkers说：“40年来人们一直尝试做出六边形硅，但没有取得成功。”

差不多十年来，埃克斯霍芬科技大学的Bakkers及其同事一直致力于做出六边形硅晶。他们提出的解决方案中一部分需要使用由砷化镓制成的纳米线作为支架，以便长出由拥有所需六边形结构的硅锗合金制成的纳米线。往硅中添加锗对于调节光的波长及材料的其他光学特性很重要。Bakkers说：“这项工作所花的时间比我预期的要长。我原以为五年前就能成功，但是整个过程进行了大量的微调。”

为了测试他们的硅合金纳米线是否发光，Bakkers及其同事用红外激光器来轰击这种纳米线，并测量了从另一端发出的红外光的数量。Bakkers及其同事检测到的从纳米线发出来的红外光能量接近激光器向系统注入的能量，这表明硅纳米线在传输光子方面非常高效。

Bakkers表示，下一步将是利用他们开发的技术来制造由硅合金制成的微型激光器。Bakkers表示，他的实验室已经开始了这方面的研究，有望年底之前研制出切实可行的硅激光器。之后，下一个挑战将是搞清楚如何将这种激光器与常规电子计算机芯片集成在一起。Bakkers说：“那将会非常重要，但也很困难。我们在集思广益，找到克服下一个挑战的方法。”

Bakkers表示，他并未预料未来的计算机芯片将完全基于光子。在诸如微处理器之类的部件内，晶体管之间的短距离使用电子传输仍有其意义。但是至于“长”距离，比如计算机的CPU与内存之间，或者在小簇晶体管之间，使用光子而不是电子有望提高计算速度，而同时减少能耗，并为系统散热。电子必须串行传输数据，即电子一个接一个传输，而光信号可以以光速同时在多条通道上快速传输数据。

由于光子电路可以快速地在计算机芯片周围传输大量数据，因此它们很可能在数据密集型应用环境中得到广泛使用。比如说，光子电路可能有助于自动驾驶汽车中的计算机，后者要实时处理来自车载传感器的大量数据。光子芯片还可能出现在更普通的应用环境。由于它们的散热量低于电子芯片，因此数据中心不需要过去那样的庞大冷却基础设施，这就有助于大幅降低能耗。

研究人员和公司企业已经设法将激光器集成到简单的电子电路中，但相关工艺过于复杂、费钱，无法大规模实施，因此设备只适用于小众领域。2015年，来自麻省理工学院、加州大学伯克利分校和科罗拉多大学的一组研究人员首次将光子电路和电子电路成功地集成到单单一个微处理器中。

研究人员当时在论文「2」中写道：“该演示可能开启了芯片级电子/光子混合系统时代，这种系统有望彻底计算系统架构，带来功能更强大的系统，从网络基础设施到数据中心和超级计算机，不一而足。”

通过演示其应用于常规计算机芯片的主要成分，Bakkers及其同事往实用的基于光的计算迈出了另一大步。半个世纪来，电子计算机芯片忠诚可靠地满足了我们的计算需求，但在眼下这个渴求数据的时代，是时候将我们的处理器提升到光速了。

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2150-y

「2」：https://www.nature.com/articles/nature16454.epdf?referrer_access_token=jaaMPCtZVYBOjdxaDmmhUdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0MqHe9wttt9RWuKp4h1fC5W9OISuTS0UvYoFBKCMp2OytHBB3JseQNUFfT_eg3KTqckkFHKCgl-p034fx5evADZE87hINmKUKrGAo9CUG3QXYQcNqPBDzarZsPmpdSO-bmGECmjI2tUbdyGv6z6cOi0SAVpAmIPtUWTim5EKgKAt5weXcVnVXjDbHFQcXLE1CsUK4kmCQU81xzxVP7qyw8F-E4qs-zBMrZi0Bw68cRFHg%3D%3D&tracking_referrer=www.wired.com