硅基光電子技術的新篇章：異質集成 memresonator 的研究與應用

  摘要

  在可編程硅基光電子集成電路領域的新興浪潮中，深度神經網絡、量子計算、以及現場可編程門陣列(FPGAs)的潛在應用引發了廣泛關注。然而，當前相位調節器的調諧速度有限和高功耗成為了發展的瓶頸。針對這一挑戰，《Nature Communication》1月發表的論文提出了創新解決方案：memresonator [1]。這種新型器件將金屬氧化物記憶體與微環諧振器相結合，創造出一種非揮發性的硅基光電子相位調節器。其最大亮點包括能夠維持長達12小時的數據保持時間、低于5V的切換電壓，并能耐受1000多次切換循環。更引人注目的是，memresonator 能夠通過短至300ps的電壓脈沖切換，實現了僅0.15 pJ的超低切換能量?；诋愘| III-V 與硅基平臺制造的這些 memresonator，能夠在單一芯片上集成廣泛的光電子器件，為內存中光電子計算打開了大門，極大推動了集成光電子處理器的發展。

  隨著高性能計算系統的需求激增——這些系統能夠高效地執行人工智能應用，深度學習訓練程序的使用量呈指數級增長，已經超過了摩爾定律對性能提升的預期。此外，物聯網(IoT)和邊緣計算中產生的大量數據需要實時處理，這進一步推動了對硬件效率的追求。當前，從自動駕駛汽車到數字助理的各種應用，大多數AI算法都是在模擬人腦神經網絡的基礎上實現的，這些網絡是能效計算的典范。目前使用的硬件，如ASICs、GPUs和FPGAs，在進行神經網絡核心計算時，每次乘加操作的能耗大約為0.5 pJ。

  引言

  在不斷追求更快更高效存儲解決方案的現代計算世界里，光電子存儲與計算架構的融合預示著一場革命，有望突破傳統電子存儲的局限。本篇文章探索了這一領域的重大突破——一種利用異質集成 memresonator 概念的高速節能非揮發性硅基光電子存儲器。這項技術結合了光電子的快速低能耗特點和電阻存儲組件的非揮發性，為計算系統中的存儲性能樹立了新的標桿。這一進步不僅提升了計算速度和效率，也推動了計算架構向著可持續、更強大的系統演化。

  器件設計與制造

  作為這項創新硅基光電子存儲技術的核心，memresonator 設備展現了非揮發性存儲與光子結構集成方面的前沿設計與制造技巧。該器件核心采用微環諧振器與金屬氧化物記憶體的巧妙集成，實現在硅基底上的光調制及非揮發性存儲功能。制造過程融合了硅基光電子制造標準與記憶材料的沉積與圖案化，實現了光學和電子組件的無縫整合。這種設計不僅展示了在光子電路中直接嵌入存儲的可能性，還為開發出超快速、高效能的計算系統提供了新的范例。

  圖 1 | 設備結構與圖像展示。a 展示了一個在硅基底上集成 III–V 材料的微環諧振器的三維及剖面視圖。b 描述了在 1310 納米波長下，微環波導內基礎橫電模式的場強度模擬情況。c 為 memresonator 的掃描電鏡橫切面圖像，呈現出其內部結構。d 是 memresonator 通過透射電鏡拍攝的橫截面圖像，展示了更細致的內部結構。e 則是一塊結合了 GaAs、Al2O3 和 Si 的記憶體的透射電鏡圖像，顯示了其復合材料的結構細節 [1]。

  工作機制

  異質集成 memresonator 的工作原理巧妙地結合了光電子與電阻切換技術。器件核心通過電信號調節記憶體的電阻狀態，從而直接影響鄰近微環諧振器的光學特性，尤其是其共振波長，可通過熱光效應實現。電信號的變化使得微環的共振頻率相應地改變，從而在穿過或從諧振器中耦合出的光中編碼數據，實現非揮發性存儲功能。這種機制充分利用了記憶體和光電子結構的內在特性，提供了一種快速、節能且與硅基光電子平臺高度兼容的存儲解決方案，為集成光子計算系統的發展開辟了新篇章。

  圖 2 | 展示了器件的工作原理和關鍵特性。a 這是一個示意圖，展示了在 memristor 內部如何形成和斷裂導電細絲(CFs)。VSET 指的是設置 memristor 為內部低阻態(IRS)或低阻態(LRS)所需的電壓。VRESET 是重置 memristor 為高阻態(HRS)所用的電壓。b 在高阻態時，給 memristor 施加讀取電壓(VREAD)后，波導內部載流子的分布示意圖。c 在內部低阻態或低阻態時，施加讀取電壓后波導內載流子的分布圖。d 是設備的電流-電壓曲線圖，顯示了 memristor 典型的滯后現象。為了調整設備到不同的電阻狀態，正向偏置電壓下分別采用了1 μA、50 μA 和 100 μA 的電流限制。e 展示了在施加2V讀取電壓時，memresonator 在不同狀態下的光譜特性 [1]。

  應用與未來方向

  memresonator 的問世為光子計算的未來發展描繪了宏偉藍圖，其在高速數據處理、人工智能和類腦計算等領域的應用前景廣闊。其快速、節能且非揮發性的存儲能力，特別適合于對速度和效率要求極高的光計算環境。展望未來，這項技術預計將在光電子與電子組件的集成方面開創新的可能性，有望促成全光處理器和存儲系統的誕生。未來研究將致力于擴展這些器件在更大存儲陣列中的應用，進一步提升耐久性和數據保持時間，以及增強與現有硅基光電子平臺的兼容性。這一發展方向不僅展現了 memresonator 在推動計算架構革新方面的巨大潛力，也預示著它在實現更加可持續和節能的計算范式中將發揮關鍵作用。

  結論

  異質集成的 memresonator 技術的發展標志著光子計算進程中的一個重大里程碑，成功地將非揮發性存儲技術與高速、節能數據處理能力相結合。這項技術不僅展示了硅基光電子存儲在未來計算架構中的巨大潛力，也為光計算領域的進一步創新奠定了基礎。隨著對計算技術領域的不斷探索，memresonator 站在了創新的前沿，引領著集成、可持續和高性能計算解決方案的新時代。

  參考文獻

  [1]Tossoun, B., Liang, D., Cheung, S. et al. High-speed and energy-efficient non-volatile silicon photonic memory based on heterogeneously integrated memresonator. Nat Commun 15, 551 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44773-7