MIT芯片带宽实现百万Gbps重大突破

随着人工智能、云计算与高性能数据中心持续推动全球对更高算力的需求，科研人员正越来越多地将目光投向传统电子技术之外。

麻省理工学院的研究团队认为，答案或许在于更高效地集成电子芯片与光子芯片——这一难题长期阻碍了下一代光计算的商业化落地。

依托FUTUR-IC研究项目，麻省理工公布了一系列关键进展。这些成果有望助力未来微芯片以超过1 Pbit/s（petabit/s，相当于1000 Tb/s或1,000,000 Gb/s）的速率传输数据，同时显著降低能耗。工作核心在于简化电子学与光子学之间的集成——前者以电信号处理信息，后者则以光信号传输信息。

更值得关注的是，这些技术还能直接使用现有的半导体制造设备进行生产，为大规模商用扫清了工艺上的障碍。

破解硅光集成的一大瓶颈

多年来，工程师们一直将共封装光学视为提升服务器与高性能计算系统内部数据传输最有前景的路径之一。这一判断不无道理——与电互连相比，光通信的能耗要低得多。随着数据中心为支撑AI负载和云服务不断扩张，这一优势的吸引力越发明显。

然而，将光子芯片与传统电子处理器集成，在技术上仍然困难重重，成本也居高不下。这就像要让两套不同“语言”的系统无缝对话，中间的翻译环节总是卡壳。

麻省理工的FUTUR-IC项目正试图攻克这一难题：开发能够简化光学封装的组件。最新进展包括两种新型光耦合器——倏逝波耦合器和渐变折射率（GRIN）耦合器，用于在光子器件之间更高效地传输光。团队还提到了第三种耦合器，由胡珏钧教授团队此前研发。

研究人员打了个形象的比方：这些器件相当于首批“光学焊球”——对应今天连接电子芯片的细小金属焊球。只不过，它们不传输电信号，而是在光子组件之间传递光。这有望让未来的电-光封装变得更易于组装和制造。

光子技术为何重要

为什么如此关注光子技术？关键原因在于能耗。电信号在数据速率升高时，电阻与功耗损耗会随之加大；而光通信则能以显著更低的能耗传输海量信息。

据FUTUR-IC主任Anu Agarwal介绍，项目的长期目标是将数据传输从当前的每秒数百太比特推进到超过1 Pb/s。研究组判断，以电子学承担计算、以光子学承担通信的分工方式，能够大幅降低未来计算基础设施的能耗需求。

这一需求正变得越来越紧迫。随着AI模型规模不断变大、云服务持续扩张，数据中心预计将消耗全球电力中越来越大的份额。在半导体行业内，光子集成已被普遍视为在不按比例抬升功耗的前提下提升带宽的最有前景路径之一。

不同应用，不同耦合器

麻省理工的研究者没有追求“万能方案”，而是针对不同需求开发了多种光耦合路径。GRIN耦合器的波长兼容性更宽，可覆盖更广的光信号范围，适合需要灵活性的场景。

而倏逝波耦合器则更易制造、也能布得更密，适合在有限面积内需要大量光连接的应用。研究人员认为，未来的电-光系统很可能需要多种耦合技术并存，各自在制造复杂度、光学效率与集成密度之间做不同取舍。没有唯一答案，关键是找到最适合的那一个。

不止于芯片设计

FUTUR-IC的范畴并未局限于半导体硬件本身。项目还推出了建模平台Earthster，帮助企业评估半导体制造的环境影响：识别产品全链条中的能耗、材料消耗与碳排放热点。

与此同时，该倡议还通过在线课程、集训营和教学资源开展人才培训，内容聚焦半导体资源效率。毕竟，再好的技术最终也要靠人来推动落地。

这些技术距离商业部署仍有一段路要走。但不可否认，它切中的正是行业最顽固的难题之一：如何将光子学与传统电子学高效集成。方向对了，剩下的就是时间问题。