硅发光二极管诞生，电脑的性能将进一步得到提升
（文章来源：pymath科技）
大约50年前，英特尔的联合创始人戈登·摩尔（gordon moore）预测，计算机芯片中封装的晶体管数量每两年就会翻一番。这个臭名昭著的预测，即摩尔定律，已经很好地证明了这一点。英特尔在1970年代初发布第一个微处理器时，它的晶体管刚好超过2,000个。如今，iphone中的处理器已达数十亿。但是万事都结束了，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连接代替某些电子电路，该光连接使用光子而不是电子来在芯片周围传输数据。但是有一个问题：硅是计算机芯片中的主要材料，它的发光性能很差。
周三，由荷兰埃因霍温理工大学物理学家埃里克·巴克斯领导的一个研究小组在《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。这是物理学家几十年来一直在努力解决的问题，但巴克斯说，他的实验室已经在利用这项技术开发一种微型硅激光器，这种激光器可以内置在计算机芯片中。将光子电路集成到传统的电子芯片上，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特别有用。
“这是一个巨大的突破，他们能够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工业中使用的制造工艺兼容，”帕斯卡德尔海伊说，他领导着马克斯普朗克光科学研究所的微光学小组，并不参与研究。“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，要想让硅吐出光子，关键在于它的结构。一个典型的计算机芯片是建立在一层薄薄的硅片上的。硅是计算机芯片的理想介质，因为它是一种半导体，一种只在特定条件下导电的材料。这种特性允许晶体管作为数字开关工作，即使它们没有任何运动部件。相反，它们只有在晶体管上施加一定的电压时才会打开和关闭。
在晶圆中，硅原子被排列成立方晶格，允许电子在特定电压条件下在晶格中移动。但它不允许光子发生类似的运动，这就是为什么光不能轻易地穿过硅。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，要真正制造出这种六边形晶格是非常困难的，因为硅想以最稳定的立方形式结晶。40年来，人们一直试图制造六角硅，但没有成功。
巴克斯和他在埃因霍温的同事已经致力于创造一个六边形硅晶格大约十年了。他们的部分解决方案涉及使用砷化镓制成的纳米线作为支架来生长硅锗合金制成的具有所需六边形结构的纳米线。在硅中加入锗对于调节光的波长和材料的其他光学性质很重要。巴克斯说：“这比我预期的要长。“我五年前就料到会在这里，但整个过程有很多微调。”
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对其进行了爆炸，并测量了在另一边发出的红外光的数量。当红外光接近激光注入系统的能量时，巴克斯和他的同事们检测到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，制造出一种由硅合金制成的微型激光器。巴克斯表示，他的实验室已经开始了这方面的工作，并可能在年底前有一个工作硅激光器。之后，下一个挑战将是如何将激光与传统电子计算机芯片集成。巴克斯说：“这将是非常严重的，但也很困难。我们正在集思广益，想办法做到这一点。”
不过，未来的计算机芯片不会完全是光学的。在一个组件（如微处理器）中，使用电子来移动晶体管之间的短距离仍然是有意义的。但是对于“长”距离，例如计算机的cpu和内存之间或晶体管的小簇之间的距离，使用光子而不是电子可以提高计算速度，同时减少能量消耗并从系统中散热。电子必须串行传输数据，一个电子必须依次传输数据，而光信号则可以在物理上尽可能快的速度（光速）一次在多个通道上传输数据。
这项研究着实使实用的基于光的计算又迈出了重要的一步，电子计算机芯片已经忠实地满足了我们的计算需求了半个世纪，但是在我们数据紧缺的世界中，是时候让处理器达到飞速发展的时候了。
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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连接代替某些电子电路，该光连接使用光子而不是电子来在芯片周围传输数据。但是有一个问题：硅是计算机芯片中的主要材料，它的发光性能很差。
周三，由荷兰埃因霍温理工大学物理学家埃里克·巴克斯领导的一个研究小组在《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。这是物理学家几十年来一直在努力解决的问题，但巴克斯说，他的实验室已经在利用这项技术开发一种微型硅激光器，这种激光器可以内置在计算机芯片中。将光子电路集成到传统的电子芯片上，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特别有用。
“这是一个巨大的突破，他们能够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工业中使用的制造工艺兼容，”帕斯卡德尔海伊说，他领导着马克斯普朗克光科学研究所的微光学小组，并不参与研究。“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，要想让硅吐出光子，关键在于它的结构。一个典型的计算机芯片是建立在一层薄薄的硅片上的。硅是计算机芯片的理想介质，因为它是一种半导体，一种只在特定条件下导电的材料。这种特性允许晶体管作为数字开关工作，即使它们没有任何运动部件。相反，它们只有在晶体管上施加一定的电压时才会打开和关闭。
在晶圆中，硅原子被排列成立方晶格，允许电子在特定电压条件下在晶格中移动。但它不允许光子发生类似的运动，这就是为什么光不能轻易地穿过硅。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，要真正制造出这种六边形晶格是非常困难的，因为硅想以最稳定的立方形式结晶。40年来，人们一直试图制造六角硅，但没有成功。
巴克斯和他在埃因霍温的同事已经致力于创造一个六边形硅晶格大约十年了。他们的部分解决方案涉及使用砷化镓制成的纳米线作为支架来生长硅锗合金制成的具有所需六边形结构的纳米线。在硅中加入锗对于调节光的波长和材料的其他光学性质很重要。巴克斯说：“这比我预期的要长。“我五年前就料到会在这里，但整个过程有很多微调。”
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对其进行了爆炸，并测量了在另一边发出的红外光的数量。当红外光接近激光注入系统的能量时，巴克斯和他的同事们检测到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，制造出一种由硅合金制成的微型激光器。巴克斯表示，他的实验室已经开始了这方面的工作，并可能在年底前有一个工作硅激光器。之后，下一个挑战将是如何将激光与传统电子计算机芯片集成。巴克斯说：“这将是非常严重的，但也很困难。我们正在集思广益，想办法做到这一点。”
不过，未来的计算机芯片不会完全是光学的。在一个组件（如微处理器）中，使用电子来移动晶体管之间的短距离仍然是有意义的。但是对于“长”距离，例如计算机的cpu和内存之间或晶体管的小簇之间的距离，使用光子而不是电子可以提高计算速度，同时减少能量消耗并从系统中散热。电子必须串行传输数据，一个电子必须依次传输数据，而光信号则可以在物理上尽可能快的速度（光速）一次在多个通道上传输数据。
这项研究着实使实用的基于光的计算又迈出了重要的一步，电子计算机芯片已经忠实地满足了我们的计算需求了半个世纪，但是在我们数据紧缺的世界中，是时候让处理器达到飞速发展的时候了。
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