MIT研究人员在高带宽、高能效通信领域取得重要突破

麻省理工学院MIT主导的一项研究项目旨在打造下一代微系统使其能够以比现有技术更高的带宽和更低的能耗可持续传输数据。自2022年成立以来该项目已取得多项重要进展。其中包括在系统级器件层面实现了电子学与光子学的高效集成——电子学利用电信号处理数据而光子学则利用光信号完成同样的工作。这类微系统是同类中的首创不仅性能先进而且有望实现低成本量产因为它可以直接在传统电子晶圆厂和封装厂的现有设备上制造。我们颠覆性的电子-光子集成解决方案将使我们从每秒数百太比特的数据传输速率跃升至每秒超过1拍比特。MIT FUTUR-IC项目负责人阿努·阿加瓦尔在4月举办的一场题为塑造半导体未来性能、功耗与可能性的网络研讨会上表示。该活动由MIT工业联络项目Industrial Liaison Program与Startup Exchange联合主办。采用共封装光学技术的先进系统相比当前纯电子方案或可插拔光学方案能够提供更高带宽并显著降低能耗。迈向可持续发展从智能手机到医疗成像设备各类产品背后的微芯片在2021年的全生命周期内贡献了约5亿吨二氧化碳当量排放全球每年产生的电子垃圾也超过5000万吨。与此同时支撑视频点播等复杂计算任务的大型数据中心持续扩张预计到2030年将消耗全球近10%的电力。这种发展既不可持续也无法规模化必须改变。阿加瓦尔多年来一再强调。FUTUR-IC项目由美国国家科学基金会Convergence Accelerator资助正是为了应对这些资源效率问题而设立。例如将光子学与支撑现代芯片的电子学进行集成有望有效降低能耗因为利用光传输数据的能效远高于电信号传输。我们的核心理念是用电子学负责计算用光子学负责通信从而有效控制当前的能源危机。阿加瓦尔表示。然而目前在单一封装内将电子芯片与光子芯片连接起来既困难又昂贵原因之一是共封装光学领域的供应链生态仍不成熟。全新器件为此FUTUR-IC项目开发了两种新型器件旨在降低光子芯片与微芯片集成的难度和成本。其中一种是渐逝场耦合器evanescent coupler已于去年登上《先进工程材料》期刊封面另一种是梯度折射率耦合器GRIN coupler相关成果发表于2026年3月印刷版的《物理学杂志光子学》。第三种新型耦合器由MIT材料科学与工程系胡杰骏教授团队研发相关论文发表于2023年的《激光与光子学评论》该研究获得美国能源部资助。这三种耦合器是光学领域的首批焊球等效物——在电子学中焊球是实现芯片间或芯片与基板间电气连接的微小金属凸点。在MIT的这项工作问世之前光子学领域尚无类似的光学凸点可供选用。如果要将光子学与电子学集成就必须同时具备金属凸点和光学凸点因为光子芯片上的器件既需要电信号也需要光信号。两篇论文的第一作者、现就职于美国国家标准与技术研究院NIST的德鲁·韦宁格Drew Weninger2025届博士表示。正如电子学领域需要多种类型的电气凸点一样光学凸点也需要多种形态因为每种类型都存在明显的权衡取舍韦宁格等人在今年早些时候发表于《自然》杂志的一篇耦合器进展综述文章中如此写道。例如GRIN耦合器的可用光谱范围比渐逝场耦合器更宽而渐逝场耦合器则更易于制造且可以更紧密地排列从而实现更高密度的连接。其他进展FUTUR-IC项目围绕三个维度展开技术耦合器研发是典型成果、价值链创新以及人才培养。在价值链创新方面研究人员开发了一款新工具帮助企业在可持续性方面作出更明智的决策。Earthster提供可视化模型可快速评估企业产品在能耗、材料使用及环境可持续性等方面的表现。阿加瓦尔表示通过Earthster供应商可以立即识别自身碳排放的主要来源并着手优化。在人才培养方面FUTUR-IC也推出了多项面向下一代芯片产业的培训计划包括即将推出的半导体资源效率在线课程以及游戏化数字学习、问题导向学习、暑期学院和实践训练营等多种形式。面向中小学群体FUTUR-IC还制作了TED-Ed系列科普视频。阿加瓦尔在4月研讨会的总结发言中特别强调了FUTUR-IC所服务的广泛产业范围无论您是封装供应商、材料供应商还是数据中心供应链中的一员FUTUR-IC都能为您创造价值。GRIN耦合器论文的合著者还包括阿加瓦尔材料科学与工程系托马斯·洛德讲席教授莱昂内尔·基默林现就职于硅光子公司SiLC Technologies的克里斯蒂安·迪塞尔2025届学士以及布里奇沃特州立大学物理、光子学与光学工程学教授塞缪尔·塞尔纳。《自然》综述论文的合著者还包括塞尔纳现就职于Ayar Labs的路易吉·兰诺2025届博士基默林以及阿加瓦尔。QAQ1FUTUR-IC项目的核心目标是什么AFUTUR-IC是由MIT主导、美国国家科学基金会资助的研究项目核心目标是开发下一代微系统实现比现有技术更高的数据传输带宽目标超过每秒1拍比特和更低的能耗。项目将电子学用于计算、光子学用于通信作为核心理念致力于解决数据中心能耗持续攀升、电子废弃物激增等可持续发展难题。Q2光学凸点和电学凸点有什么区别为什么都需要A电学凸点焊球是芯片间实现电气连接的微小金属凸点已广泛应用于电子封装。光学凸点则是MIT团队新开发的等效器件用于实现芯片间的光信号互连。当光子芯片与电子芯片集成时芯片上的器件既需要电信号也需要光信号因此两种凸点缺一不可。MIT开发的三种耦合器渐逝场耦合器、GRIN耦合器和第三种耦合器是光学凸点领域的首批实用化方案。Q3渐逝场耦合器和GRIN耦合器有什么区别A两者各有优劣。GRIN耦合器梯度折射率耦合器支持更宽的光谱范围适用场景更广渐逝场耦合器则制造工艺更简单且可以更紧密地排列能在同等面积内实现更多连接。研究团队在《自然》综述文章中指出每种耦合器类型都存在明显的权衡取舍实际应用中需根据具体需求选择合适方案。