石墨烯芯片：为 AI 互连瓶颈带来全新解决方案

在当今科技飞速发展的时代，AI 技术的进步日新月异，但互连瓶颈却成为了制约其进一步发展的关键因素。而石墨烯芯片的出现，为打破这一困境带来了新的希望。

在埃因霍温举行的 2025 年欧洲光子集成电路峰会 (PIC Summit Europe 2025) 上，Black Semiconductor 的首席技术官兼联合创始人 Cédric Huyghebaert 提出了一个引人深思的问题：“如果电子瓶颈不存在，数据可以在芯片间无缝传输，那会怎样？” 这一问题也概括了这家欧洲最具创新精神的光子学初创公司的雄心壮志。该公司致力于利用石墨烯的独特特性，将光子学直接融入半导体生产。

从实验室到工厂，石墨烯的发展经历了漫长的道路。早期，研究人员曾设想用石墨烯完全取代 CMOS 晶体管，因其具有非凡的迁移率和导电性。然而，石墨烯没有带隙的特性，起初被认为是缺点，但后来却成为了优势。科学家们将石墨烯层压到波导上，使光能够反复与石墨烯层相互作用，从而调节吸收率，这一发现开启了石墨烯调制器和光电探测器的研发之路。这些器件能够以惊人的速度操控和探测光，但如何将其与电子器件连接起来并实现规模化生产，成为了 Black Semiconductor 创立的初衷。

该公司提出了一种新的芯片类别 —— 史诗级芯片（EPIC），与传统的光子学和电子学融合方法不同，EPIC 利用标准工业流程集成这两种技术，无需复杂且成本高昂的先进封装技术。其结果是可以在标准 CMOS 生产线内制造光子器件，使数据传输通过光来实现，彻底改变了芯片间的通信方式。

然而，石墨烯的发展并非一帆风顺。它面临着质量、可重复性和可扩展性等挑战。目前，还没有代工厂能够将石墨烯集成到芯片上，主要问题在于石墨烯的质量和可重复性较差。为了解决这些问题，Black Semiconductor 正在研发单晶石墨烯，并计划先在 200 毫米晶圆上生长，再扩展到 300 毫米。同时，转移过程也十分棘手，需要确保石墨烯在转移到晶圆上时保持完美无瑕。此外，可扩展性也是一个重要问题，如果想在每个芯片上都应用光子技术，就需要制定大规模生产的计划。

欧洲在石墨烯研究领域有着深厚的传统，Black Semiconductor 公司通过与欧洲的合作找到了答案。2024 年 6 月，该公司获得了 IPCEI（欧洲共同利益重要项目）的资助，用于建设一条 300 毫米集成石墨烯光子学试验生产线。目前，该晶圆厂正在设计中，预计 2026 年中期投入运营，2027 年初全面投产，产品样品也将很快推出。

与当今的硅光子（SiPh）技术相比，石墨烯具有诸多优势。SiPh 在集成到芯片制造的后端工艺（BEOL）时面临诸多限制，而石墨烯工作温度低，与 CMOS 工艺兼容，并且能够实现高速调制器和探测器。这种兼容性可以重新定义计算机架构，打破阻碍人工智能发展的互连瓶颈。

Black Semiconductor 公司还在开发玻璃面板中介层，结合集成石墨烯光子技术，可以在芯片之间创建无缝的光学结构。在早期的实验室测试中，他们的石墨烯调制器已经展现出令人瞩目的速度，目前为 5 GHz，并计划实现 20 - 25 GHz 的调制速度和 60 GHz 的光电探测器。

最后，Cédric Huyghebaert 表示，他们的目标不是取代 CMOS，而是对其进行增强，将芯片背面变成有源光学层。这是新型芯片的首款产品，电子和光子真正实现了集成，标志着计算机领域正迈向一个新的时代。计算机领域的下一次革命不会仅仅来自更快的晶体管，它将来自光，光流过单层碳。石墨烯芯片的发展前景广阔，但也面临着诸多挑战。随着技术的不断进步和研究的深入，相信石墨烯芯片将在未来的 AI 领域发挥重要作用，为计算机领域带来新的变革。