漫射和鐳射光電偶合的集成電路信號線的製作方法
2023-06-16 09:49:56 1
專利名稱：漫射和鐳射光電偶合的集成電路信號線的製作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路信號線，尤其是涉及可用於高性能電腦、仿生電腦中各晶片之間的集成電路信號線。
背景技術：
現時的集成電路，都以金屬導體引線，將訊號接到電路板上，體積大，造價貴，噪音高。由於金屬導體引線的間隔，只能做到0.5mm左右，500多個插腳，成了引線的極限。CPU的總線位數，地址位數，多在64位以下，I/O的傳輸帶寬構成一個瓶頸，限制了電腦向更高的運算能力和更小體積的發展。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能解決電腦晶片之間信號傳輸帶寬的問題，把超級電腦的現時的運算能力提高一個數量級；並可把同樣的電腦體積縮小的集成電路信號線。
本發明的目的可通過以下的技術措施來實現利用發光二極體發出的漫射光或雷射，集成電路晶片上組成光電偶合對作為連接集成電路的信號線。採用光發射和接收的技術，在集成電路晶片上，建造光偶合電路，密度可以達到0.05mm或以上，比插腳高100倍多。除了電源和一些功率輸出外，集成電路晶片IC之間的信號線，多可以用光電偶合對代替，提高密度。
本發明把光電偶合對在集成電路晶片上以矩陣方式排列組成光電偶合矩陣作為連接集成電路的信號線。在每一片需要連接的集成電路晶片上，利用晶片上集成系統(SOC)技術，可將光電偶合矩陣集成上去，取代金屬插腳。由於電路的密度可以做得很高，一片晶片內，以矩陣方式排列，每片IC用光電偶合造成的矩陣，可達到數以千計或萬計。把晶片上的光電偶合矩陣，交錯地對聯起來，訊號便可以從一片晶片傳到另一片，代替金屬接腳和連線，每個光信道，都只有單個方向，而且只有點對點的收和發。
本發明把光發射元做成中空的發光體置於集成電路晶片上，在晶片底面上位於發光體下方為中空的反射片，光敏接收組件置於發光體周圍，發光體上方放置一片中空的反射片或半透明的漫射片，再把經相同處理的晶片堆迭起來，對應位置上的一串收發組件形成一條貫穿全部堆迭晶片的光信道構成各晶片之間的信號總線。當發光二極體在非相干的漫射模式下工作，晶片製造工藝要求仍然相對簡單，物理結構已比晶片-金屬導線-插腳-電路板-插腳-導線-晶片，組成的系統簡單，總線頻率也可以大大提高。
本發明把所述光信道總線在集成電路晶片上以矩陣方式排列組成總線矩陣作為連接集成電路的信號線。
本發明所述總線外壁嵌入圓柱形的折光層和吸收層，隔離總線內腔和晶片體，減少光信道間的互相干擾，又可構成總線諧振腔，改良總線的性能。
本發明所述光信道總線矩陣輸出的末端可組成雷射發射器，通過成像透鏡，用作投影屏幕。
本發明有以下優點(1)本發明中數據以光能的形式在晶片間傳遞，取代以電能型式的金屬線。以光傳送訊號，在抗噪音，抗電磁幹擾，抗氧化，都比金屬接線優越。體積也可做到很小。
(2)光信道總線在諧振狀態下工作，雷射發射效率可達50％以上，雷射發射臨界電流可以低至數十微安，調製頻率可達10GHz。此時會有較高的發散係數和較遠的傳送距離。用光信道矩陣連接的總線，如果用條數以千計算(K)級的總線寬度，每個時鐘周期，可進出的數據量，也是以K計算。在千兆赫(G)級的頻率下，帶寬可以輕易達到兆兆(T)級。以現時的雷射發射能量和光敏組件的靈敏度，發散係數可以數十萬計，真正的極限是在可連接的諧真腔幾何型狀上；普通情形下，串接2-64片晶片的總線，應很易達到。
(3)把晶片堆迭起來，同時用光電偶合形成的光信道矩陣作為晶片堆的總線，可以把多個CPU，MPU，RAM，I/O，GPU，甚至LCD顯視屏等相同或者不同功能的晶片連接起來，這樣組成的運算能力可大為提高，同時體積也可更小。
圖1為光電偶合對示意圖；圖2為光電偶合對矩陣示意圖；圖3為晶片上的光電偶合矩陣交錯地對接示意圖；圖4為雲片糕式晶片堆；圖5為肋骨型晶片堆；圖6為瓦片狀晶片連接；圖7為對於需放在遠處時用光纖連接示意圖；圖8為直接偶合的PDA示意圖；圖9為雷射諧振腔光信道總線示意圖；圖10為雷射諧振腔光信道總線矩陣連接示意圖；圖11為光信道總線設置折射和吸收層的示意圖；圖12為標準矩陣模組；圖13為多晶片組成的機群MPP示意圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2、圖3所示，利用發光二極體發出的漫射光或雷射，集成電路晶片上組成光電偶合對作為連接集成電路的信號線。發光二極體在一片晶片上發射訊號，在另一片晶片上用光敏元件接收，光敏元件可以是光敏二極體，光敏三極體，光電荷偶合器(ECC)。偶合對可以做成雙通道單向收發或單通道雙向收發的形式；傳遞信號的光，包括非相干的廣譜漫射光和相干的鐳射光。這樣採用光發射和接收的技術，在集成電路晶片上，建造光偶合電路，密度可以達到0.05mm或以上，比插腳高100倍多。除了電源和一些功率輸出外，集成電路晶片IC之間的信號線，多可以用光電偶合對代替，提高密度。
把光電偶合對在集成電路晶片上以矩陣方式排列組成光電偶合矩陣作為連接集成電路的信號線。距陣的行數可以是1至任意正數N，列數是1至另一任意正數M。由於電路的密度可以做得很高，一片晶片內，以矩陣方式排列，每片IC用光電偶合造成的矩陣，可達到數以千計或萬計。把晶片上的這些光電偶合矩陣，交錯地對聯起來，信號便可以從一片晶片傳到另一片，每個光信道，都只有單個方向，而且只有點對點的收和發。在每一片需要連接的集成電路晶片上，利用晶片上集成系統(SOC)技術，可將光電偶合矩陣集成上去，取代金屬插腳和連線。
上述光電偶合矩陣，裝在集成電路晶片上，代替傳統的金屬腳，在多片晶片之間傳輸數據，把多片芯疊起來，或者用透光的物質粘起來，以交錯的光電距陣作數據總線，組成龐大的數據處理系統。在晶片的雙面設置光電偶合矩陣信號線，可以做成如圖4的雲片糕式晶片堆；如圖5的肋骨型晶片堆；在晶片的單面設置光電偶合矩陣信號線，可以做成圖6的瓦片狀晶片堆；做成瓦片狀的空間利於流體散熱。對於需放在遠處時，設置光電偶合矩陣信號線的晶片之間可用光纖連接如圖7。
如圖8為直接偶合的PDA示意圖，以LCD顯視屏為基片11(取其面積較大)，接上光電偶合矩陣12，把CPU13，內存14，多片快閃記憶體15，IO模塊16，及其它模塊17粘上去，模塊間除電源和外接線路外，接線很少，大規模生產時，成本可能比晶片-金屬導線-插腳-電路板-插腳-導線-晶片組成的系統更便宜，穩定性更高，由於每片快閃記憶體與CPU直接連接，可以同時讀取，速度更快。
如圖9、圖10、圖11所示，把光發射元做成中空的星形發光體置於集成電路晶片上，在晶片底面上位於發光體下方為中空的反射片，光敏接收組件置於發光體周圍，發光體上方放置一片中空的反射片或半透明的漫射片，再把經相同處理的晶片堆迭起來，對應位置上的一串收發組件形成一條貫穿全部堆迭晶片的光信道構成各晶片之間的信號總線。光能從二極體光發射源2射出，在晶片的底反射層3，和面幹涉反射層4之間，來回反射，構成晶片中的諧振腔5，部分能量從中心貫穿全部迭晶片的透明總線腔光信道6傳導到總線內其它的晶片上，光發射源旁，裝有光敏組件7接受信號。在總線外壁嵌入圓柱形的折光層和吸收層8，隔離總線內腔和晶片體，減少光信道間的互相干擾，又可構成總線諧振腔，改良總線的性能。當晶片製造工藝要求達到標準，適當控制腔內的物理參數，諧振腔的閥值電流降到合理範圍內，發光二極體可在相干的雷射模式下工作，光頻帶集中在共振頻率附近，訊道調製頻率可達到10GHz左右。光信道諧振腔總線在集成電路晶片上，以矩陣方式排列組成總線矩陣，集成到各式各樣的晶體晶片上。把晶片堆迭起來，利用光訊號，互相溝通，可組成一個高性能電腦，用在仿生智能系統上。
當生產數量不多，如果在每一片晶片上都集成光電偶合組件形成的總線矩陣，成本會較高，可批量生產幾種標準的總線矩陣31，與通用的晶片32焊接成模組34，在晶片和矩陣之間，加入一段可編程的開關陣列33，可塑性就更高(如圖12)。
如圖13展示了一個由六片CPU晶片21，加上RAM22，I/O23等，通過雷射總線連成的結點24，再把四個結點用六組總線構成的超立方陣列25。把多個CPU，RAM，I/O，相同或者不同功能的晶片連接起來，運用豐富的總線資源，提供無窮的高速連接方式。
上述光信道總線矩陣輸出的末端可組成雷射發射器，通過成像透鏡，用作投影屏幕。
權利要求
1.一種漫射和鐳射光電偶合的集成電路信號線，其特徵在於利用發光二極體發出的漫射光或雷射，集成電路晶片之間組成光電偶合對作為連接集成電路的信號線。
2.根據權利要求1所述的漫射和鐳射光電偶合的集成電路信號線，其特徵在於把所述的光電偶合對在集成電路晶片上以矩陣方式排列組成光電偶合矩陣作為連接集成電路的信號線。
3.一種漫射和鐳射光電偶合的集成電路信號總線，其特徵在於把光發射元做成中空的發光體置於集成電路晶片上，在晶片底面上位於發光體下方為中空的反射片，光敏接收組件置於發光體周圍，發光體上方放置一片中空的反射片或半透明的漫射片，再把經相同處理的晶片堆迭起來，對應位置上的一串收發組件形成一條貫穿全部堆迭晶片的光信道構成各晶片之間的信號總線。
4.根據權利要求3所述的漫射和鐳射光電偶合的集成電路信號總線，其特徵在於把所述光信道總線在集成電路晶片上以矩陣方式排列組成總線矩陣作為連接集成電路的信號線。
5.根據權利要求3或4所述的漫射和鐳射光電偶合的集成電路信號總線，所述總線外壁嵌有圓柱形的折光層和吸收層。
6.權利要求4所述的集成電路信號總線，該光信道總線矩陣輸出的末端可組成雷射發射器，通過成像透鏡，用作投影屏幕。
全文摘要
本發明公開了一種漫射和鐳射光電偶合的集成電路信號線，利用發光二極體發出的漫射光或雷射，集成電路晶片上組成光電偶合對或把光電偶合對在集成電路晶片上以矩陣方式排列組成光電偶合矩陣作為連接集成電路的信號線；另外也可把光發射元做成中空的發光體置於集成電路晶片上，在晶片底面上位於發光體下方為中空的反射片，光敏接收組件置於發光體周圍，發光體上方放置一片中空的反射片或半透明的漫射片，再把經相同處理的晶片堆迭起來，對應位置上的一串收發組件形成一條貫穿全部堆迭晶片的光信道構成各晶片之間的信號總線。本發明能解決電腦晶片之間信號傳輸帶寬的問題，把超級電腦的現時的運算能力提高一個數量級；並把同樣的電腦體積縮小。
文檔編號H01L27/14GK1684254SQ200510033549
公開日2005年10月19日 申請日期2005年3月15日 優先權日2005年3月15日
發明者李奕權 申請人:李奕權