集成電路芯片

　　高速芯片是一種專門設計用于處理高速數據傳輸的集成電路芯片。它們通常用于網絡設備、通信系統、計算機和其他需要高速數據傳輸和處理的應用中。根據不同的功能，高速芯片可以分為幾類：

　　高速信號傳輸芯片：這類芯片在高速接口通道中起到輔助傳輸的作用，是信號傳輸的橋梁。它們的主要特征是輸入/輸出接口相同、傳輸數據格式不變、數據內容不變。具體可以分為中繼芯片、切換芯片、分配芯片以及矩陣交換芯片。

　　中繼芯片：主要用于增強信號的傳輸能力，糾錯恢復時鐘。

　　切換芯片：用于切換不同的源信息作為輸入，并輸出其中一路的高速信號。

　　分配芯片：將一組高速源信息分出多組相同的輸出信號。

　　矩陣交換芯片：用于多路輸入高速信號到多路輸出高速信號間的切換。23

　　高速存儲芯片：這類芯片用于存儲數據，可以分為易失性存儲芯片和非易失性存儲芯片兩類。它們廣泛應用于計算機、手機、相機、數據中心等各種設備中，用于存儲和處理各種數據。存儲芯片的速度和可靠性不斷提高，能耗不斷降低，未來將繼續向更高速度、更大容量、更低功耗的方向發展。

　　隨著科技的不斷發展，數字化已經成為了我們生活中不可或缺的一部分。而在數字化的背后，高速芯片則是實現數字化的核心技術。高速芯片是指在電子設備中運行的微處理器，它能夠快速地處理數據和信息，并且在現代科技的發展中起到了至關重要的作用。

　　高速芯片的出現，使得數字化的應用更加廣泛。從智能手機到電腦，從智能家居到工業控制，高速芯片都扮演著重要的角色。高速芯片的出現，大大提升了數字化設備的性能和速度，使得數字化應用更加普及化和便捷化。

　　高速芯片的重要性也在不斷地被證明。在人工智能領域，高速芯片的應用更是不可或缺。人工智能需要大量的數據處理和計算，而高速芯片的出現，使得人工智能的發展更加迅速。高速芯片的應用，不僅提高了人工智能的效率和精度，同時也為人工智能的發展提供了更加廣闊的空間。

　　高速芯片的出現，也為數字化時代的發展提供了新的契機。在數字化時代，數據處理和信息傳輸已經成為了最為重要的環節。而高速芯片的出現，使得數據處理和信息傳輸更加高效，也為數字化時代的發展提供了更加穩定和可靠的基礎。

　　高速芯片是數字化時代的核心技術，它的出現使得數字化應用更加廣泛化和便捷化，同時也為人工智能的發展提供了更加廣闊的空間。高速芯片的應用，不僅提高了數字化設備的性能和速度，同時也為數字化時代的發展提供了新的契機。

　　高速信號傳輸芯片簡介

　　高速信號傳輸芯片指在各類高速接口通道中發揮輔助傳輸作用的芯片，是信號傳輸的橋梁。高速信號傳輸芯片的主要特征是：輸入/輸出接口相同、傳輸數據格式不變、數據內容不變。根據功能的不同，高速信號傳輸芯片可細分為中繼芯片、切換芯片、分配芯片以及矩陣交換芯片。

　　中繼芯片主要應用于增強信號的傳輸能力，糾錯恢復時鐘;切換芯片主要應用于切換不同的源信息作輸入，輸出其中一路的高速信號;分配芯片主要應用于將一組高速源信息分出多組相同的輸出信號;矩陣交換芯片主要應用于多路輸入高速信號到多路輸出高速信號間的切換。上述各類高速信號傳輸芯片功能示意圖如下：

　　(2)高速信號傳輸芯片市場概況

　　隨著人類社會步入數字時代，物聯網、云計算、人工智能、5G 通訊、無人駕駛等數字新興產業的涌現與發展，數據傳輸量呈現指數級上升趨勢，各類高速傳輸協議不斷更新升級，進而終端應用對于高速信號傳輸芯片解決方案的需求也不斷攀升。2020 年，全球高速信號傳輸芯片市場規模約 34.14 億元人民幣，預計 2025 年全球高速信號傳輸芯片市場規模將達 63.37 億元人民幣，2020-2025 年復合增長率為 13.17%。

　　2020 年中國大陸高速信號傳輸芯片市場規模約 7.50 億元人民幣，受益于車載顯示等下游領域的發展，2025 年中國大陸高速信號傳輸芯片市場規模預計將達到 15.69 億元人民幣，2020-2025 年復合增長率約 15.91%，整體增速高于全球市場。

　　像瑞士蘇黎世這樣的城市中，光纖網絡已經廣泛用于實現高速互聯網、數字電話、電視以及基于網絡的視頻流或者音頻流服務。但是，到這個十年末，在高速數據傳輸方面，即使光通信網絡也可能會達到其極限。

　　這是因為流媒體、存儲與計算等在線服務的需求不斷增長，以及人工智能和5G網絡的出現。當今的光網絡實現了每秒吉比特(10^9比特)范圍內的數據傳輸速率。每個通道和波長的限制為每秒100吉比特左右。然而，未來數據傳輸速率的需求將達到每秒太比特(10^12比特)的范圍。

　　創新

　　近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH)的研究人員開發出一款超高速芯片，可以加快光纖網絡中的數據傳輸速度。該芯片同時結合了多項創新技術，鑒于人們對于流媒體和在線服務的需求不斷增長，它代表著一項重大進展。相關論文發表在《自然·電子學(Nature Electronics)》雜志上。

　　蘇黎世聯邦理工學院實現了科學家們約二十年來一直在追求的目標。在作為歐盟地平線2020計劃研究項目一部分的實驗室工作中，他們制造出了這款芯片。高速電子信號在芯片上可被直接轉換成超高速光信號，信號質量幾乎沒有損失。這代表著在使用光傳輸數據的光通信基礎設施(例如光纖網絡)的效率方面取得了重大突破。

　　技術

　　蘇黎世聯邦理工學院光子與通信系教授于爾格·魯特霍爾德(Juerg Leuthold)表示：“不斷增長的需求呼喚新的解決方案。這個范式轉移的關鍵在于，將電子元件與光子元件結合到單顆芯片上?！惫庾訉W(光粒子科學)領域研究用于信息傳輸、存儲和處理的光學技術。

　　蘇黎世聯邦理工學院研究人員現在已經精確地實現了這一組合。在與來自德國、美國、以色列和希臘的伙伴們合作開展的實驗中，他們首次在同一顆芯片上將電子元件與光基元件結合到一起。從技術角度來看，這是一個巨大的進步，因為目前這些元件必須在不同的芯片上制造，然后通過線連接到一起。

　　這項研究的領導作者、魯特霍爾德課題組的博士后研究員烏利·科赫(Ueli Koch)解釋道，這種方法會帶來后果：從一方面說，分別制造電子芯片和光子芯片是很昂貴的。從另一方面說，在將電子信號轉化光信號的過程中，性能會受到影響，從而限制了光纖光學通信網絡中的數據傳輸速度。

　　科赫表示：“如果你用兩個單獨的芯片將電子信號轉化為光信號，你的信號質量會大大受損?！币虼?，他的方案是從調制器開始。調制器是一種位于芯片上的元件，通過將電信號轉化為光波生成給定強度的光。調制器的尺寸必須盡可能小，以避免轉化過程中的質量和強度的損耗，并且以更快的速度傳輸光(或者說是數據)。

　　將電子和光子元件緊緊地放在彼此的頂部，并通過“片上通孔”的方式將它們直接連接到芯片上，可以實現這種緊湊性。電子器件與光子器件的這種層疊，縮短了傳輸距離并減少了信號質量方面的損耗。因為電子器件與光子器件安裝在單個基底上，所以研究人員將這個方案描述為“單片共集成(monolithic co-integration)”。

　　單片的“電子-等離子體光子“高速發射器(圖片來源：參考資料【1】)

　　過去二十年來，單片方案有過失敗，因為光子芯片比電子芯片要大得多。于爾格·魯特霍爾德說，這妨礙了它們集成到單顆芯片上。光子元件的尺寸，使之無法與現今電子產品中流行的互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術結合到一起。

　　魯特霍爾德表示：“現在，我們已經用等離子體光子器件取代普通的光子器件，解決了光子器件與電子器件之間的尺寸差異問題。”十年來，科學家們一直在預測，等離子體光子學(Plasmonics)，作為光子學的一個分支，將為超高速芯片奠定基礎。等離子體光子學可以讓光波擠進比光波長小得多的結構中。

　　單顆芯片上結合了電子技術和等離子體光子技術，因此可以放大光信號，并更快地傳輸數據。(圖片來源：IEF/Springer Nature Ltd.)

　　由于等離子體光子芯片比電子芯片要小，所以我們現在實際上可以制造出包含光子層和電子層的更緊湊的單塊芯片。為了將電信號轉化為更快的光信號，光子層(上圖中紅色部分)包含了一個等離子體光子強度調制器，它是基于引導光達到更高速度的金屬結構。

　　這也帶來了電子層(上圖中藍色部分)中的速度提升。在稱為“4:1 多路復用”的過程中，四個低速輸入信號被捆綁和放大，以便它們在一起形成高速電信號。科赫表示：“然后，它會被轉化成一個高速光信號。通過這種方式，我們首次在單塊芯片上以超過每秒100吉比特的速度傳輸數據?！?/p>

　　為了達到破紀錄的速度，研究人員不僅將等離子體光子技術與經典的 CMOS 技術結合起來，而且還結合了更高速的雙極互補金屬氧化物半導體(BiCMOS)技術。他們也利用了來自華盛頓大學的溫度穩定的新型電光學材料，并借鑒了地平線2020項目 PLASMOfab 和 plaCMOS 的見解。據魯特霍爾德稱，他們的實驗表明，這些技術可以結合起來創造最快的小型芯片：“我們堅信，這個解決方案也將為未來光學通信網絡中更快的數據傳輸鋪平道路。”