光计算的革命材料：石墨烯

硅芯片达到物理极限

    如今的芯片利用电子在细小的金属线上移动来传输数据，这种方法已经使用了几十年，也正是这种方法让我们拥有了速度更快的手机和最强大的AI芯片，但现在我们遇到了一个大问题。随着我们在芯片上塞入越来越多的晶体管，由铜制成的导线变得越来越细，导致电阻急剧上升、热量不断累积。不仅仅是晶体管达到了物理极限，它们之间的互连和布线也成为计算领域最大的瓶颈之一。

    物理学给了我们一个解决的线索，那就是利用光子而不是电子。光不会像铜那样损失能量，它速度更快、温度更低，非常适合在芯片和数据中心之间传输数据。而说到在纳米尺度上控制光，石墨烯在这方面非常擅长。

石墨烯擅长控制光子

    石墨烯是目前最迷人的材料之一。它本质上就是一层碳原子以完美的蜂窝状排列。这种结构不仅美观，而且坚固耐用。碳原子紧密结合，使这种材料比钢更坚固，同时又轻巧灵活。由于它是一种晶体结构，电子甚至光子可以非常快速地穿过石墨烯，几乎没有阻力。

    电子穿过石墨烯时的电迁移率高得惊人。石墨烯的迁移率为每秒20万平方厘米，而硅的迁移率为500平方厘米。这意味着切换到石墨烯进行数据互连，数据传输速度比现在快100到1000倍。

常见的光调制器：马赫-曾德尔干涉仪

    当我们想用光来传输数据或计算数据时，首先需要进行编码，将数字信号编码成光。为此，我们需要使用一种基本设备——光调制器，其中最常见的一种是马赫-曾德尔干涉仪。第一束光从一端进入，然后被分成两条不同的路径，有点像一条光子路分成两条车道。通常情况下，来自两个分支的光会在末端重新结合，发生相长干涉，这意味着输出光等于输入光。

    如果我们将数字信号施加到其中一条路径上，就会发生一些变化，该信号会改变该分支中光的相位，从而改变其在输出端的干涉方式，这就是我们调制光的方式，我们实际上是将数字比特编码成光的强度。通过这种方式，我们可以通过光纤传输数据，甚至可以在光子芯片上进行计算，这个过程是硅光子学的核心。

石墨烯是理想的光调制器材料

    但通过硅实现这些有其局限性，尤其是在更快的速度、更低的功耗和更小的占用空间方面，而这正是石墨烯的用武之地。硅在红外波段的窄带中工作效果最佳，而石墨烯可以与从可见光到红外光，甚至到太赫兹波段的各种光发生良好的相互作用。更有趣的是，我们实际上可以通过施加电脉冲来控制石墨烯吸收的光量，这使得它成为下一代光调制器的理想候选材料。

可以实现乘法累加运算

 

    将石墨烯用于光调制器的技术不仅有助于加快数据传输速度，还为更宏大的目标打开了大门，那就是利用光本身进行计算。在马赫-曾德尔干涉仪中，将之前的数字脉冲改为施加模拟电压，就会发生一些新的变化。在这种情况下，相移量会根据该电压平滑变化，因此输出端的光强度与两个值（输入光和施加电压）的乘积成正比。

     换句话说，该设备能执行模拟乘法，这意味着如果我们将该设备扩展到大量设备，我们就可以以模拟方式执行矩阵乘法累加运算。这种运算在人工智能领域无处不在，每秒执行数十亿次。 地球上每个人工智能数据中心每秒都在发生。

可以实现大规模并行计算，并降低能量损失

    每个光调制器编码不同的权重，一束光携带输入值，我们在设备上将输入光与模拟值相乘，然后在输出端光电探测器将光转换为电流，最后以电子方式对结果进行求和。我们可以在数千个并行通道上执行此操作，就能以模拟方式实现了矩阵乘法累加运算。

    这种方法的优势在于，光可以同时携带多个不同波长的数据流，这意味着我们不仅能进行快速计算，还可以大规模并行计算，同时将能量损失降至最低，并且无需停止数据运行。

Black Semiconductor同时开发石墨烯芯片和晶圆厂

    与任何突破性的新材料一样，石墨烯的制造以及从实验室到量产都面临着巨大的挑战。除非石墨烯的生产规模化且价格合理，否则它很难被广泛应用。为了将其应用于现实世界的芯片，我们需要能够在晶圆上生长或转移高质量的石墨烯，并实现规模化生产。

    长期以来，这一直是不可能的。但现在情况终于开始改变，我们看到世界各地都在建造新的石墨烯晶圆厂。以Black Semiconductor为例，他们不仅在设计基于石墨烯的光子芯片，还在构建实现规模化生产所需的完整基础设施。他们的新晶圆厂FabONE正在德国建设中，计划于2026年开始生产，并于2030年实现全面量产。

Destination 2D开发基于石墨烯的互联技术

    加州大学圣巴巴拉分校的衍生公司Destination 2D，他们不仅在开发基于石墨烯的互连技术，还在设计工具和技术，并研究将石墨烯从实验室转移到晶圆厂的整个流程。他们并不是唯一一家这样做的公司，还有一家名为NanoXplore的公司开发了一种特殊的干法生长工艺，使他们能够生长出不含杂质的高质量石墨烯，这对于电子设备来说非常关键。

台积电在测试混合石墨烯金属结构

    几乎无缺陷的晶圆级石墨烯在几年前是不可能的，但现在就连巨头也开始关注，台积电、英特尔、三星已经在探索如何将石墨烯集成到下一代互联中。

    例如，台积电正在测试一种混合石墨烯金属结构，这是他们无需重新改造整个晶圆厂就能开始取代铜的战略方法。我们必须面对现实，我们不可能在一夜之间就完全取代铜，大多数新材料不是通过瞬间颠覆，而是通过更具战略性的推广。

量产仍需克服很多技术挑战

    在实验室中制造石墨烯是一回事，大规模生产并保持其完美无瑕又是完全不同的另一回事。题在于，当石墨烯大规模生产时，缺陷开始蔓延。微小的晶粒边界和杂质在半导体中就是灾难性的，它们会彻底摧毁性能。

    石墨烯必须与现有的以硅为基础的晶圆厂兼容。切换到石墨烯意味着至少要对晶圆厂进行部分改造，这既昂贵又缓慢，风险也很大。此外，还有一个转移问题，因为石墨烯通常是在铜或碳化硅等材料上生长的，但将其转移到其他材料上会存在一些问题。

还要考虑成本效益

    即使我们设法克服了所有这些技术挑战，我们也必须思考这在经济上是否可行。转换新材料不仅要使其发挥作用，还要考虑成本效益。而今天的石墨烯显然还没有达到这个水平。

    为了使石墨烯走出实验室，我们需要在三个方面下功夫：可扩展性、制造和成本。但石墨烯的进展已经开始加快。

来源：Achillesscj