硅基光电子技术的新篇章：异质集成 memresonator 的研究与应用

  摘要

  在可编程硅基光电子集成电路领域的新兴浪潮中，深度神经网络、量子计算、以及现场可编程门阵列(FPGAs)的潜在应用引发了广泛关注。然而，当前相位调节器的调谐速度有限和高功耗成为了发展的瓶颈。针对这一挑战，《Nature Communication》1月发表的论文提出了创新解决方案：memresonator [1]。这种新型器件将金属氧化物记忆体与微环谐振器相结合，创造出一种非挥发性的硅基光电子相位调节器。其最大亮点包括能够维持长达12小时的数据保持时间、低于5V的切换电压，并能耐受1000多次切换循环。更引人注目的是，memresonator 能够通过短至300ps的电压脉冲切换，实现了仅0.15 pJ的超低切换能量。基于异质 III-V 与硅基平台制造的这些 memresonator，能够在单一芯片上集成广泛的光电子器件，为内存中光电子计算打开了大门，极大推动了集成光电子处理器的发展。

  随着高性能计算系统的需求激增——这些系统能够高效地执行人工智能应用，深度学习训练程序的使用量呈指数级增长，已经超过了摩尔定律对性能提升的预期。此外，物联网(IoT)和边缘计算中产生的大量数据需要实时处理，这进一步推动了对硬件效率的追求。当前，从自动驾驶汽车到数字助理的各种应用，大多数AI算法都是在模拟人脑神经网络的基础上实现的，这些网络是能效计算的典范。目前使用的硬件，如ASICs、GPUs和FPGAs，在进行神经网络核心计算时，每次乘加操作的能耗大约为0.5 pJ。

  引言

  在不断追求更快更高效存储解决方案的现代计算世界里，光电子存储与计算架构的融合预示着一场革命，有望突破传统电子存储的局限。本篇文章探索了这一领域的重大突破——一种利用异质集成 memresonator 概念的高速节能非挥发性硅基光电子存储器。这项技术结合了光电子的快速低能耗特点和电阻存储组件的非挥发性，为计算系统中的存储性能树立了新的标杆。这一进步不仅提升了计算速度和效率，也推动了计算架构向着可持续、更强大的系统演化。

  器件设计与制造

  作为这项创新硅基光电子存储技术的核心，memresonator 设备展现了非挥发性存储与光子结构集成方面的前沿设计与制造技巧。该器件核心采用微环谐振器与金属氧化物记忆体的巧妙集成，实现在硅基底上的光调制及非挥发性存储功能。制造过程融合了硅基光电子制造标准与记忆材料的沉积与图案化，实现了光学和电子组件的无缝整合。这种设计不仅展示了在光子电路中直接嵌入存储的可能性，还为开发出超快速、高效能的计算系统提供了新的范例。

  图 1 | 设备结构与图像展示。a 展示了一个在硅基底上集成 III–V 材料的微环谐振器的三维及剖面视图。b 描述了在 1310 纳米波长下，微环波导内基础横电模式的场强度模拟情况。c 为 memresonator 的扫描电镜横切面图像，呈现出其内部结构。d 是 memresonator 通过透射电镜拍摄的横截面图像，展示了更细致的内部结构。e 则是一块结合了 GaAs、Al2O3 和 Si 的记忆体的透射电镜图像，显示了其复合材料的结构细节 [1]。

  工作机制

  异质集成 memresonator 的工作原理巧妙地结合了光电子与电阻切换技术。器件核心通过电信号调节记忆体的电阻状态，从而直接影响邻近微环谐振器的光学特性，尤其是其共振波长，可通过热光效应实现。电信号的变化使得微环的共振频率相应地改变，从而在穿过或从谐振器中耦合出的光中编码数据，实现非挥发性存储功能。这种机制充分利用了记忆体和光电子结构的内在特性，提供了一种快速、节能且与硅基光电子平台高度兼容的存储解决方案，为集成光子计算系统的发展开辟了新篇章。

  图 2 | 展示了器件的工作原理和关键特性。a 这是一个示意图，展示了在 memristor 内部如何形成和断裂导电细丝(CFs)。VSET 指的是设置 memristor 为内部低阻态(IRS)或低阻态(LRS)所需的电压。VRESET 是重置 memristor 为高阻态(HRS)所用的电压。b 在高阻态时，给 memristor 施加读取电压(VREAD)后，波导内部载流子的分布示意图。c 在内部低阻态或低阻态时，施加读取电压后波导内载流子的分布图。d 是设备的电流-电压曲线图，显示了 memristor 典型的滞后现象。为了调整设备到不同的电阻状态，正向偏置电压下分别采用了1 μA、50 μA 和 100 μA 的电流限制。e 展示了在施加2V读取电压时，memresonator 在不同状态下的光谱特性 [1]。

  应用与未来方向

  memresonator 的问世为光子计算的未来发展描绘了宏伟蓝图，其在高速数据处理、人工智能和类脑计算等领域的应用前景广阔。其快速、节能且非挥发性的存储能力，特别适合于对速度和效率要求极高的光计算环境。展望未来，这项技术预计将在光电子与电子组件的集成方面开创新的可能性，有望促成全光处理器和存储系统的诞生。未来研究将致力于扩展这些器件在更大存储阵列中的应用，进一步提升耐久性和数据保持时间，以及增强与现有硅基光电子平台的兼容性。这一发展方向不仅展现了 memresonator 在推动计算架构革新方面的巨大潜力，也预示着它在实现更加可持续和节能的计算范式中将发挥关键作用。

  结论

  异质集成的 memresonator 技术的发展标志着光子计算进程中的一个重大里程碑，成功地将非挥发性存储技术与高速、节能数据处理能力相结合。这项技术不仅展示了硅基光电子存储在未来计算架构中的巨大潜力，也为光计算领域的进一步创新奠定了基础。随着对计算技术领域的不断探索，memresonator 站在了创新的前沿，引领着集成、可持续和高性能计算解决方案的新时代。

  参考文献

  [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