CN112104425A - 集成计算芯片和集成计算芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种集成计算芯片和集成计算芯片的制作方法，该集成计算芯片包括：基板；硅基光芯片，包括光网络运算单元和光电探测器阵列，光网络运算单元包括N×N个硅基马赫‑曾德尔干涉仪，N为大于等于2的正整数，用于对输入光进行N阶矩阵向量乘法运算，并输出光强信号；光电探测器阵列与光网络运算单元连接，用于将光强信号转换为模拟电流信号；电压驱动芯片，其输出端与光网络运算单元的电压控制端电连接，电压驱动芯片与基板电连接，用于输出驱动电压；信号读出及处理芯片，其输入端与光电探测器阵列的输出端电连接，信号读出及处理芯片与基板电连接，用于对模拟电流信号进行处理。该集成计算芯片缓解了热串扰问题，使得计算精度较高。

Description

集成计算芯片和集成计算芯片的制作方法

技术领域

本申请涉及半导体领域，具体而言，涉及一种集成计算芯片和集成计算芯片的制作方法。

背景技术

光神经网络芯片为未来人工智能的发展开辟了一个全新的、多学科交叉的领域，学术界与产业界也因此对该新兴领域开展了许多更深入的研究。但是，目前人们主要集中研究人工神经网络中线性运算和非线性激活函数部分的光学实现，如采用硅基MZI(Mach-Zehnder interferometer，硅基马赫-曾德尔干涉仪)网络结构或基于波分复用系统的微环权重库来实现矩阵运算，利用硅基可调谐滤波器实现非线性运算等。但是现有的MZI网络结构存在热串扰问题，从而影响了计算精度。

在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种集成计算芯片和集成计算芯片的制作方法，以解决现有技术中的MZI网络结构存在热串扰影响计算精度的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种集成计算芯片，包括基板；硅基光芯片，包括光网络运算单元和光电探测器阵列，所述光网络运算单元包括N×N个硅基马赫-曾德尔干涉仪，N为大于等于2的正整数，所述光网络运算单元用于对输入光进行N阶矩阵向量乘法运算，并输出光强信号；所述光电探测器阵列与所述光网络运算单元连接，用于将所述光强信号转换为模拟电流信号；电压驱动芯片，所述电压驱动芯片的输出端与所述光网络运算单元的电压控制端电连接，所述电压驱动芯片与所述基板电连接，所述电压驱动芯片用于输出驱动电压；信号读出及处理芯片，所述信号读出及处理芯片的输入端与所述光电探测器阵列的输出端电连接，所述信号读出及处理芯片与所述基板电连接，所述信号读出及处理芯片用于对所述模拟电流信号进行处理。

可选地，所述电压驱动芯片包括：数模转换器，用于将外部输入的相位控制信号转换为模拟信号；放大电路，一端与所述数模转换器电连接，另一端与所述光网络运算单元电连接，所述放大电路用于放大所述模拟信号。

可选地，所述光电探测器阵列包括多个阵列排布的光电探测器。

可选地，所述信号读出及处理芯片包括：多个阵列排布的放大器，所述放大器用于将所述模拟电流信号转换为模拟电压信号并进行放大；多个阵列排布的滤波器，所述滤波器与所述放大器一一对应电连接，所述滤波器用于对放大后的所述模拟电压电流信号进行滤波；多个阵列排布的模数转换器，所述模数转换器与所述滤波器一一对应电连接，所述模数转换器用于将滤波后的所述模拟电压信号转换为数字信号。

可选地，所述放大器为跨阻放大器，所述滤波器为带通滤波器。

可选地，所述光电探测器为硅基波导的超高速光电探测器。

可选地，所述基板为陶瓷基板。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种集成计算芯片的制作方法，包括：将光网络运算单元和光电探测器阵列连接，形成硅基光芯片；将电压驱动芯片与所述硅基光芯片电连接；将信号读出及处理芯片与所述硅基光芯片电连接；将所述电压驱动芯片设置在基板上且与所述基板电连接；将所述信号读出及处理芯片设置在所述基板上且与所述基板电连接。

可选地，将所述电压驱动芯片与所述硅基光芯片电连接，包括：在所述电压驱动芯片上与所述光网络运算单元上分别形成第一对准标记；根据所述第一对准标记将所述电压驱动芯片与所述光网络运算单元进行对准；在所述电压驱动芯片上形成多个第一金属凸点；通过多个所述第一金属凸点连接对准后的所述电压驱动芯片与所述光网络运算单元。

可选地，将所述信号读出及处理芯片与所述硅基光芯片电连接，包括：在所述信号读出及处理芯片上与所述光电探测器阵列上分别形成第二对准标记；根据所述第二对准标记将所述信号读出及处理芯片与所述光电探测器阵列进行对准；在所述信号读出及处理芯片上形成多个第二金属凸点；通过多个所述第二金属凸点连接对准后的所述信号读出及处理芯片与所述光电探测器阵列。

本申请提供了一种集成计算芯片，所述集成计算芯片通过所述电压驱动芯片的输出端与所述光网络运算单元的电压控制端电连接，所述信号读出及处理芯片的输入端与所述光电探测器阵列的输出端电连接，所述电压驱动芯片和所述信号读出及处理芯片通过电磁场对所述硅基光芯片的MZI光相位进行电学控制，保证了所述光网络运算单元的输入端和输出端间的串扰小、隔离度高，有效地缓解了热控MZI带来的热串扰问题，从而保证了所述硅基光芯片的计算精度较高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的实施例的集成计算芯片的结构示意图；

图2示出了根据本申请的实施例的集成计算芯片的原理示意图；

图3示出了根据本申请的实施例的集成计算芯片的剖面结构示意图；

图4示出了根据本申请的实施例的集成计算芯片的制作方法生成的流程示意图；以及

图5示出了根据本申请的实施例的集成计算芯片的制作方法生成的集成计算芯片示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

01、光纤单元；101、光网络运算单元；102、光电探测器阵列；103、电压驱动芯片；104、信号读出及处理芯片；105、基板；106、硅基光芯片；201、光电探测器；202、放大器；203、滤波器；204、模数转换器；205、第一金属凸点；206、第二金属凸点。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术所介绍的，现有技术中的MZI网络结构存在热串扰影响计算精度，为了解决如上问题，本申请提出了一种集成计算芯片和集成计算芯片的制作方法。

本申请的一种典型的实施例中，如图1至图3所示，提供了一种集成计算芯片，包括基板105；硅基光芯片106，包括光网络运算单元101和光电探测器阵列102，上述光网络运算单元101包括N×N个硅基马赫-曾德尔干涉仪，N为大于等于2的正整数，上述光网络运算单元101用于对输入光进行N阶矩阵向量乘法运算，并输出光强信号；上述光电探测器阵列102与上述光网络运算单元101连接，用于将上述光强信号转换为模拟电流信号；电压驱动芯片103，上述电压驱动芯片103的输出端与上述光网络运算单元101的电压控制端电连接，上述电压驱动芯片103与上述基板105电连接，上述电压驱动芯片103用于输出驱动电压；信号读出及处理芯片104，上述信号读出及处理芯片104的输入端与上述光电探测器阵列102的输出端电连接，上述信号读出及处理芯片104与上述基板105电连接，上述信号读出及处理芯片104用于对上述模拟电流信号进行处理。

上述的集成计算芯片，通过上述电压驱动芯片的输出端与上述光网络运算单元的电压控制端电连接，上述信号读出及处理芯片的输入端与上述光电探测器阵列的输出端电连接，上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片通过电磁场对上述硅基光芯片的MZI光相位进行电学控制，保证了上述光网络运算单元的输入端和输出端间的串扰小、隔离度高，有效地缓解了热控MZI带来的热串扰问题，从而保证了上述硅基光芯片的计算精度较高。

具体地，上述硅基光芯片包括2N²个调制臂。

在实际的应用过程中，如图3和图5所示，上述输入光可以由光纤单元01通过端面耦合方式进入上述光网络运算单元。光纤单元01包括未形成光纤阵列的光纤和/或光纤阵列。

根据本申请的一种具体的实施例，上述电压驱动芯片包括：数模转换器，用于将外部输入的相位控制信号转换为模拟信号；放大电路，一端与上述数模转换器电连接，另一端与上述光网络运算单元电连接，上述放大电路用于放大上述模拟信号。上述数模转换器用于将外部输入的相位控制信号转换为模拟信号，上述放大电路用于放大上述模拟信号，保证了外部输入的相位控制信号经上述电压驱动芯片转换和放大后，输出的驱动电压能有效地对上述光网络运算单元进行相位控制，进一步地缓解了上述硅基光芯片的串扰问题。

在实际的应用过程中，上述数模转换器为多通道数模转换器，外部输入的相位控制信号经上述数模转换器输出多通道模拟电压信号，且各通道可独立进行动态配置，保证了上述电压驱动芯片的输出电压在0到10V内连续可调，进一步地保证了对N×N个MZI的有效相位调控。上述放大电路可以为调整输出级电路，上述放大电路还可以为电子管放大电路、晶体管放大电路、集成放大电路、电压放大电路、电流放大电路或者功率放大电路，当然，上述放大电路还可以为其他放大电路，本领域技术人员可以根据需要选择合适的放大电路。

具体的一种实施例中，上述电压驱动芯片采用高压CMOS工艺制成。上述的高压CMOS工艺为在制作高压深阱的过程中，先采用零掩膜板在淀积有氧化物的衬底表面形成光学自对准标记，再利用该光学自对准标记作为第一掩膜板的对准基准，将第一掩膜板上的高压阱图案准确的复制到光刻胶上。当然，上述电压驱动芯片还可以采用其他高压CMOS工艺制成，本领域的技术人员可以根据实际需要选择制成工艺。

本申请的又一种具体的实施例中，如图2所示，上述光电探测器阵列包括多个阵列排布的光电探测器201。多个光电探测器201保证了经上述光网络运算单元运算后的光强信号快速地转换为模拟电流信号，这样保证了集成计算芯片的处理速度较快。

根据本申请的另一种具体的实施例，如图2和图3所示，上述信号读出及处理芯片104包括：多个阵列排布的放大器202，上述放大器202用于将上述模拟电流信号转换为模拟电压信号并进行放大；多个阵列排布的滤波器203，上述滤波器203与上述放大器202一一对应电连接，上述滤波器203用于对放大后的上述模拟电压信号进行滤波；多个阵列排布的模数转换器204，上述模数转换器204与上述滤波器203一一对应电连接，上述模数转换器204用于将滤波后的上述模拟电压信号转换为数字信号。通过上述放大器对上述模拟电流信号转换为上述模拟电压信号并进行放大，上述滤波器对上述模拟电压信号进行滤波，上述模数转换器将滤波后的上述模拟电压信号转换为数字信号，实现了经上述光网络运算单元的N阶矩阵向量乘法运算得到N维光电流信号，并最终转换成N维数字信号输出，很好地抑制了噪声信号，同时保证了输出的数字信号衰减较小，得到的数字信号效果较好。

需要说明的是，上述放大器为跨阻放大器，上述滤波器为带通滤波器。上述跨阻放大器具有高带宽，能将电信号进行一定强度的低噪放大，有效地缓解了上述模拟电流信号在转换以及传输过程中的衰减，且抑制了噪声信号的放大。上述带通滤波器允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段，进一步地保证了经上述跨阻放大器转换并放大后的上述模拟电压信号的噪声小。当然，上述放大器还可以为跨导放大器、高增益运算放大器或者低功耗运算放大器，还可以为其他类型的放大器；上述滤波器还可以为低通滤波器、高通滤波器或者带阻滤波器，还可以为其他类型的滤波器。

具体的一种实施例中，上述信号读出及处理芯片采用低压CMOS工艺制成。上述的低压CMOS工艺包括在半导体基片上形成衬底区，在上述半导体基片上制作浅沟道隔离，在上述衬底区的上表面制作闸极，在上述半导体基片的上表面设置光胶，以形成透射区和阻挡区，上述透射区与低压阱的位置相对应，低能量注入第一掺杂离子，以在上述衬底区形成表面超导层，大角度注入第二掺杂离子，以在上述衬底区形成低压半导体激光电源晕环，高能量注入第二掺杂离子，使上述第二掺杂离子穿透上述闸极和上述浅沟道隔离，以在上述衬底区形成上述低压阱。当然，上述信号读出及处理芯片还可以使用其他低压CMOS工艺制成，本领域的技术人员可以根据实际需要选择制成工艺。

为了保证上述集成计算芯片的集成度较好，光电转换速度较快，具体的一种实施例中，上述光电探测器为硅基波导的超高速光电探测器。

在实际的应用过程中，上述基板为陶瓷基板。上述陶瓷基板具有优良的电绝缘性能、高导热特性、优异的焊接性和高的附着强度，具有很大的载流能力。

在本申请的另一种典型的实施例中，如图4和图5所示，还提供了一种集成计算芯片的制作方法，上述集成计算芯片的制作方法包括以下步骤：

步骤S101：将光网络运算单元和光电探测器阵列连接，形成硅基光芯片；

步骤S102：将电压驱动芯片与上述硅基光芯片电连接；

步骤S103：将信号读出及处理芯片与上述硅基光芯片电连接；

步骤S104：将上述电压驱动芯片设置在基板上且与上述基板电连接；

步骤S105：将上述信号读出及处理芯片设置在上述基板上且与上述基板电连接。

上述集成计算芯片的制作方法，通过将上述光网络运算单元和上述光电探测器阵列连接，形成上述硅基光芯片，上述电压驱动芯片与上述硅基光芯片电连接、上述信号读出及处理芯片和上述硅基光芯片电连接，并将上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片设置在基板上，且将上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片分别与上述基板电连接，实现了将上述硅基光芯片、上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片的混合集成，此制作方法简单易操作，成本较低且稳定性能好，可以实现高速、低功耗、低延时、高能效比的光计算。同时，通过上述电压驱动芯片与上述硅基光芯片电连接，上述信号读出及处理芯片与上述硅基光芯片电连接，上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片通过电磁场对上述硅基光芯片的MZI光相位进行电学控制，保证了上述光网络运算单元的输入端和输出端间的串扰小、隔离度高，有效地缓解了热控MZI带来的热串扰问题，从而保证了上述硅基光芯片的计算精度较高。

本申请的一种实施例中，如图3所示，将上述电压驱动芯片与上述硅基光芯片电连接，包括：在上述电压驱动芯片上与上述光网络运算单元上分别形成第一对准标记；根据上述第一对准标记将上述电压驱动芯片与上述光网络运算单元进行对准；在上述电压驱动芯片上形成多个第一金属凸点205；通过多个上述第一金属凸点205连接对准后的上述电压驱动芯片与上述光网络运算单元。通过多个上述第一金属凸点实现了上述电压驱动芯片与上述光网络运算单元的电连接，工艺简单，可操作性高，进一步地保证了使用上述制作方法集成的集成计算芯片的运算速度高，精度高。

在实际的应用过程中，在上述电压驱动芯片上形成多个第一金属凸点，通过热压和/或热声工艺将上述电压驱动芯片的多个第一金属凸点贴附在上述硅基光芯片上，并将上述电压驱动芯片的输出电极与上述光网络运算单元的电压控制端焊盘连接，再进行固化、填充，实现上述电压驱动芯片与上述光网络运算单元的电连接。

需要说明的是，上述电压驱动芯片与上述硅基光芯片采用异构集成技术进行互连集成。

本申请的另一种实施例中，如图3所示，将上述信号读出及处理芯片与上述硅基光芯片电连接，包括：在上述信号读出及处理芯片上与上述光电探测器阵列上分别形成第二对准标记；根据上述第二对准标记将上述信号读出及处理芯片与上述光电探测器阵列进行对准；在上述信号读出及处理芯片上形成多个第二金属凸点206；通过多个上述第二金属凸点206连接对准后的上述信号读出及处理芯片与上述光电探测器阵列。通过多个上述第二金属凸点实现了上述信号读出及处理芯片与上述光电探测器阵列的电连接，工艺简单，可操作性高，进一步地保证了使用上述制作方法集成的集成计算芯片的运算速度高，精度高。

在实际的应用过程中，在上述信号读出及处理芯片上形成多个第二金属凸点，通过热压和/或热声工艺将上述信号读出及处理芯片的多个第二金属凸点贴附在上述硅基光芯片上，并将上述信号读出及处理芯片的输入电极与上述光电探测器阵列的输出端焊盘连接，再进行固化、填充，实现上述信号读出及处理芯片与上述光电探测器阵列的电连接。

需要说明的是，上述信号读出及处理芯片与上述硅基光芯片采用异构集成技术进行互连集成。

具体的一种实施例中，上述电压驱动芯片、上述信号读出及处理芯片以及上述硅基光芯片通过陶瓷管壳封装，形成集成计算芯片。其中，上述电压驱动芯片通过引线键合，与上述陶瓷基板实现电连接；上述信号读出及处理芯片通过引线键合，与上述陶瓷基板实现电连接。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

1)、本申请提供了一种集成计算芯片，上述集成计算芯片，通过上述电压驱动芯片的输出端与上述光网络运算单元的电压控制端电连接，上述信号读出及处理芯片的输入端与上述光电探测器阵列的输出端电连接，上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片通过电磁场对上述硅基光芯片的MZI光相位进行电学控制，保证了上述光网络运算单元的输入端和输出端间的串扰小、隔离度高，有效地缓解了热控MZI带来的热串扰问题，从而保证了上述硅基光芯片的计算精度较高。

2)、本申请还提供了一种集成计算芯片的制作方法，上述集成计算芯片的制作方法，通过将上述光网络运算单元和上述光电探测器阵列连接，形成上述硅基光芯片，上述电压驱动芯片与上述硅基光芯片电连接、上述信号读出及处理芯片和上述硅基光芯片电连接，并将上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片设置在基板上，且将上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片分别与上述基板电连接，实现了将上述硅基光芯片、上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片的混合集成，此制作方法简单易操作，成本较低且稳定性能好，可以实现高速、低功耗、低延时、高能效比的光计算。同时，通过上述电压驱动芯片与上述硅基光芯片电连接，上述信号读出及处理芯片与上述硅基光芯片电连接，上述电压驱动芯片和上述信号读出及处理芯片通过电磁场对上述硅基光芯片的MZI光相位进行电学控制，保证了上述光网络运算单元的输入端和输出端间的串扰小、隔离度高，有效地缓解了热控MZI带来的热串扰问题，从而保证了上述硅基光芯片的计算精度较高。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成计算芯片，其特征在于，包括：

基板；

硅基光芯片，包括光网络运算单元和光电探测器阵列，所述光网络运算单元包括N×N个硅基马赫-曾德尔干涉仪，N为大于等于2的正整数，所述光网络运算单元用于对输入光进行N阶矩阵向量乘法运算，并输出光强信号；所述光电探测器阵列与所述光网络运算单元连接，用于将所述光强信号转换为模拟电流信号；

电压驱动芯片，所述电压驱动芯片的输出端与所述光网络运算单元的电压控制端电连接，所述电压驱动芯片与所述基板电连接，所述电压驱动芯片用于输出驱动电压；

信号读出及处理芯片，所述信号读出及处理芯片的输入端与所述光电探测器阵列的输出端电连接，所述信号读出及处理芯片与所述基板电连接，所述信号读出及处理芯片用于对所述模拟电流信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的集成计算芯片，其特征在于，所述电压驱动芯片包括：

数模转换器，用于将外部输入的相位控制信号转换为模拟信号；

放大电路，一端与所述数模转换器电连接，另一端与所述光网络运算单元电连接，所述放大电路用于放大所述模拟信号。

3.根据权利要求1所述的集成计算芯片，其特征在于，所述光电探测器阵列包括多个阵列排布的光电探测器。

4.根据权利要求1所述的集成计算芯片，其特征在于，所述信号读出及处理芯片包括：

多个阵列排布的放大器，所述放大器用于将所述模拟电流信号转换为模拟电压信号并进行放大；

多个阵列排布的滤波器，所述滤波器与所述放大器一一对应电连接，所述滤波器用于对放大后的所述模拟电压信号进行滤波；

多个阵列排布的模数转换器，所述模数转换器与所述滤波器一一对应电连接，所述模数转换器用于将滤波后的所述模拟电压信号转换为数字信号。

5.根据权利要求4所述的集成计算芯片，其特征在于，所述放大器为跨阻放大器，所述滤波器为带通滤波器。

6.根据权利要求3所述的集成计算芯片，其特征在于，所述光电探测器为硅基波导的超高速光电探测器。

7.根据权利要求1所述的集成计算芯片，其特征在于，所述基板为陶瓷基板。

8.一种集成计算芯片的制作方法，其特征在于，包括：

将光网络运算单元和光电探测器阵列连接，形成硅基光芯片；

将电压驱动芯片与所述硅基光芯片电连接；

将信号读出及处理芯片与所述硅基光芯片电连接；

将所述电压驱动芯片设置在基板上且与所述基板电连接；

将所述信号读出及处理芯片设置在所述基板上且与所述基板电连接。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，将所述电压驱动芯片与所述硅基光芯片电连接，包括：

在所述电压驱动芯片上与所述光网络运算单元上分别形成第一对准标记；

根据所述第一对准标记将所述电压驱动芯片与所述光网络运算单元进行对准；

在所述电压驱动芯片上形成多个第一金属凸点；

通过多个所述第一金属凸点连接对准后的所述电压驱动芯片与所述光网络运算单元。

10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，将所述信号读出及处理芯片与所述硅基光芯片电连接，包括：

在所述信号读出及处理芯片上与所述光电探测器阵列上分别形成第二对准标记；

根据所述第二对准标记将所述信号读出及处理芯片与所述光电探测器阵列进行对准；

在所述信号读出及处理芯片上形成多个第二金属凸点；

通过多个所述第二金属凸点连接对准后的所述信号读出及处理芯片与所述光电探测器阵列。

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