IEDM2024 | 基于铁电微环谐振器的并行光计算技术

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引言
$ t, P' b1 y+ ]( a# a, I% L+ j在大数据和人工智能时代，对更快速、更节能的计算解决方案的需求持续增长。本文探讨了使用铁电微环谐振器（FE-MRR）实现并行光计算的创新技术，相比传统电子系统具有显著优势[1]。

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1 X: d$ o+ P+ `光电子集成芯片概述
光电子集成芯片代表着计算架构从基于电子到基于光子信息处理的根本转变。这些线路利用光的独特特性克服了电子系统的局限性。由于光能同时携带多个波长，实现了更高的带宽；由于热量产生减少和传输损耗降低，提高了能源效率；通过光波导的自然特性，光信号比电子线路中的电子具有更好的约束性，从而降低了串扰。

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& d- I& O: b8 S& o& b! U# I图1展示了FE-MRR单元的三维示意图和并行光电卷积加速器（PPCA）方案，说明了系统的关键组件和工作原理。
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$ c$ T- D; G" u& {* R4 v铁电微环谐振器技术
% r8 e( h2 n2 NFE-MRR技术采用掺铝氧化铪（HAO）作为铁电材料，在光计算领域实现了重要突破。该器件通过自由载流子色散效应工作，硅肋波导中的载流子浓度可以通过HAO铁电层中偶极子非易失性开关诱导的剩余极化来调制。这种调制在硅肋波导的折射率中产生变化，导致共振峰位置发生移动，即使在没有施加电压的情况下也能保持这种状态。

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; b7 z! Y/ i6 M; i* W. N图2展示了空穴密度的TCAD仿真和能带图仿真，显示了器件在不同电压水平下的工作状态。
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通过精密的材料工程，技术实现达到了卓越的规格。该器件在5V的低电压下运行，远低于传统铁电器件。这是通过精确控制HAO层厚度（10纳米）和优化掺杂浓度实现的。微环谐振器谱的周期性使得波分复用成为可能，允许在一个自由光谱范围内同时处理多个波长。
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/ e. ~1 m: t1 S6 q# \4 @6 a: @器件制作和结构
9 w/ `# z, i* @( i* W) h; A! e3 o/ x制作过程结合了先进的半导体加工技术和精确的材料沉积控制。首先使用电子束光刻定义硅波导和光栅耦合器图案。然后使用基于HBr的气体在ICP RIE过程中刻蚀波导，获得对降低光学损耗至关重要的平滑侧壁轮廓。

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9 T0 n( |  [/ h; ^; L图3展示了制作工艺流程和最终器件结构，包括横截面扫描电镜图像和材料表征结果。
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$ b) J8 _; A0 K' R- `HAO铁电层通过原子层沉积技术沉积，确保厚度和成分的均匀性。工艺包括在650°C下进行30秒的快速热退火关键步骤，形成铁电相。ITO透明电极经过精心优化，在电导率和光学透明度之间取得平衡，这对维持高器件性能至关重要。

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性能特征
% n* J. R; S5 _; ]8 F& vFE-MRR展示了优异的性能指标。光调制特性显示最大消光比为3.29 dB，峰值偏移0.18纳米，这是通过精确控制载流子浓度调制实现的。由于铁电状态在没有施加电压的情况下保持稳定，这些数值在零静态功耗下实现。

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图4展示了测量的光谱和性能特性，包括保持时间和耐久性测试结果。

! F- A( I) @0 O2 G. T  x器件的稳定性通过广泛测试得到验证，在室温下显示超过10年的保持时间。这种卓越的保持性能是通过HAO层中稳定的铁电极化实现的。器件通过1000次编程循环保持稳定性能，每个循环包含100微秒宽度的±5V脉冲。
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. Y. J) u9 e1 ^- I并行点积运算
系统的并行处理能力通过复杂的波分复用实现。每个微环谐振器可以同时处理多个波长，波长间隔由谐振器的自由光谱范围决定。这种方式在不增加器件物理尺寸的情况下实现了高效并行计算。
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/ n2 k% m% N5 R4 F7 h9 M; r图5展示了跨多个通道的并行点积运算概念验证，显示了输入光谱和处理结果。

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图像处理应用
  ]4 @/ L% g9 E" J+ ?% E该系统在图像处理应用中表现出色，特别是在并行卷积运算方面。实现方案允许同时处理RGB通道，每个通道在谐振器的自由光谱范围内使用不同的波长带。

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0 i2 s( ?# ]: p0 t0 \图6展示了并行图像卷积的工作原理和结果，包括RGB通道处理和误差分析。

& }/ G: }& k2 E# C1 W9 w与CPU处理相比，计算精度达到了大于0.98的结构相似性指数（SSIM）。这种高精度在所有颜色通道中都得到保持，只有0.33%的像素显示灰度值差异大于10个单位。并行处理架构使所有颜色通道同时进行边缘检测，与顺序处理方法相比显著减少了处理时间。
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8 q% F0 P. }6 h* e# v6 {性能评估和展望
) [  h& A  [# ^" mPPCA系统的性能可以用吞吐量方程定量评估：TOPS = K·2·N2·fclk×10?12，其中K表示可用并行计算通道数，N2是N×N权重库中的FE-MRR数量，fclk是时钟频率（通常为5 GHz）。

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图7展示了光计算核心之间的性能预测，显示了显著的吞吐量改进潜力。

系统展现了显著的可扩展性，有潜力支持超过40个并行通道，主要受限于频率梳生成能力。谐振器中的光子寿命，通过τp = (λres·Q)/(2·π·c)计算，决定了器件的最终速度极限。
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. l# a% y: I8 G5 s结论
基于FE-MRR的并行光计算系统在计算技术领域取得了重要进展，实现了零静态功耗、并行处理能力和高精度的结合。该技术在自然语言处理、语音识别和图像处理应用中显示出显著优势，并行处理能力能够有效加速计算速度。随着发展继续深入，这项技术将在新一代高性能计算中发挥重要作用。

) S9 R5 `4 f5 s  o: @( ?参考文献
[1] Y. Chen, R. Shao, G. Zhang, L. Jiao, X. Chen, K. Han, Z. Zheng, Z. Zhou, C. Sun, J. Zhang, Q. Kong, and X. Gong, "Parallel In-memory Dot Product Engine Using Non-volatile Ferroelectric Microring Resonator Weight Bank For High-throughput Parallel Photonic Convolutional Accelerator," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024.
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