MIT研發光電耦合器突破，推動晶片傳輸速度邁向拍位元等級

光電整合成為AI時代的關鍵課題

隨著人工智慧、雲端運算及高效能資料中心需求持續增長，傳統電子晶片的傳輸瓶頸日益凸顯。麻省理工學院（MIT）研究團隊認為，答案在於電子晶片與光子晶片的高效整合——這項技術挑戰長期阻礙下一代光學運算的普及。

透過FUTUR-IC研究計畫，MIT公布一系列突破性進展，有望讓未來微晶片的資料傳輸速度突破每秒一拍位元（petabit），同時大幅降低能耗。研究核心在於開發新型光學耦合器，簡化以電力處理資訊的電子技術，與以光傳輸資訊的光子技術之間的整合。這些技術可使用現有半導體生產設備製造，提升了大規模應用的可行性。

突破「共封裝光學」的整合瓶頸

多年來，工程師將「共封裝光學」（co-packaged optics）視為改善伺服器與高效能運算系統內部資料傳輸的最有潛力方法。光學通訊消耗的能源遠低於電氣互連，隨著資料中心為支援AI工作負載與雲端服務持續擴張，光學通訊的吸引力與日俱增。然而，將光子晶片與傳統電子處理器整合，在技術與成本上仍然困難重重。

MIT的FUTUR-IC計畫旨在透過開發簡化光學封裝的元件來解決此挑戰。最新進展包括兩款新型光學耦合器：漸逝波耦合器（evanescent coupler）與漸變折射率耦合器（GRIN coupler），設計目的是在光子元件間更有效率地傳遞光訊號。加上由Juejun Hu教授領導團隊先前開發的第三款耦合器，共同代表研究人員所稱的首批光學版「焊球（solder bumps）」——即連接當今電子晶片的微型金屬接點的光學等效物。

針對應用差異開發多元解決方案

MIT研究人員並未尋求單一通用解決方案，而是針對不同需求開發差異化的光學耦合方案。漸變折射率耦合器具備更寬的波長相容性，能在更廣泛的光訊號範圍內運作，適合對光學效率要求高的應用。漸逝波耦合器則更易於製造，且可更密集地排列，適合在有限面積內需要大量光學連接的場景。

研究人員指出，未來的電子—光子系統可能需要多種耦合技術，各自在製造複雜度、光學效率與整合密度間取得不同平衡。這種差異化策略反映了MIT對現實應用需求的深刻理解。

能耗與頻寬的雙重突破

FUTUR-IC計畫主任Anu Agarwal表示，計畫長期目標是將資料傳輸速度從目前的數百太位元每秒（terabits per second）提升至超過每秒一拍位元。以電子技術主要負責運算、光子技術負責通訊的架構，可望大幅降低未來運算基礎設施的能源需求。

這項需求日趨迫切。隨著AI模型規模不斷擴大、雲端服務持續擴張，資料中心預計將消耗全球越來越大比例的電力。在整個半導體產業中，光電整合被廣泛視為在不成比例增加功耗的前提下提升頻寬最具潛力的方法。

超越硬體的生態整合

FUTUR-IC計畫的範疇不僅限於半導體硬體。該計畫推出Earthster——一套建模平台，協助企業評估半導體製造的環境影響，可辨識其產品整個生命週期中的能源使用、材料消耗及碳排放熱點。此外，計畫也透過線上課程、訓練營及教育資源，積極推動聚焦於半導體資源效率的人才培訓工作。

儘管這些技術的商業化部署仍需時日，但MIT此項研究正面對半導體產業最持久的挑戰之一：如何有效率地將光子技術與傳統電子技術加以整合，進而滿足AI時代對運算能力與能效的雙重需求。