随着半导体工艺持续演进和 AI 计算需求的爆发式增长，传统的芯片间互联技术正面临着带宽瓶颈和功耗挑战。在这一背景下，太赫兹（Terahertz）芯片级无线互联技术应运而生，为下一代计算系统提供了全新的架构思路。
太赫兹频段的技术优势与挑战
太赫兹波位于 0.1 至 10 太赫兹频段，在电磁波谱中介于微波和远红外光之间。相比传统无线技术，太赫兹频段具有显著的带宽优势 —— 单个载波可提供数百 GHz 的频谱资源，这为实现 Tb/s 级别的数据传输速率奠定了物理基础。更重要的是，太赫兹波的波长特性使其具备强定向性和良好的穿透能力，能够在保持高数据传输率的同时减少干扰并穿透多种材料。
然而，将太赫兹技术集成到硅芯片上并非易事。核心挑战在于硅与空气之间巨大的介电常数差异。硅的介电常数为 11.9，而空气仅为 1.0，这种巨大的对比度导致太赫兹波在硅 - 空气界面发生强烈反射，造成严重的信号损失。传统的解决方案是使用体积庞大且昂贵的硅透镜来增强辐射功率，但这些透镜往往比芯片本身还要大，严重制约了实际应用的可扩展性。
MIT 团队的突破性创新
针对这一长期困扰学术界和产业界的技术难题，MIT 研究团队提出了创新的解决方案。他们开发出一种基于图案化介电匹配片的太赫兹芯片架构，通过在芯片背面贴附一层精密设计的薄片材料，成功实现了太赫兹波的高效辐射。
这种介电匹配片的设计精髓在于其内部分布的微米级孔洞结构。通过在薄片上制造规律性的孔洞，研究人员创造了一种介电常数介于硅和空气之间的混合材料，从而显著减少了界面反射。重要的是，这种方法完全兼容现有的 CMOS 工艺流程，为大规模生产提供了技术可行性。
在硬件实现方面，该团队采用了英特尔开发的高性能晶体管技术。这些晶体管的击穿电压达到 6.3V，最大振荡频率高达 290 GHz，远超传统 CMOS 器件的性能极限。通过整合片上放大器 - 倍增器链阵列、倍频器和宽带蝴蝶结形槽线天线，系统成功实现了 232 至 260 GHz 频段的高效辐射，峰值辐射功率达到 11.1 分贝毫瓦，在同类设备中处于领先地位。
芯片级无线通信的技术架构
太赫兹芯片级无线互联的核心在于构建一个高效、可扩展的无线通信架构。与传统的有线总线不同，这种无线架构需要解决几个关键技术问题：首先是高频率下的信号生成和放大，需要精密的频率合成和功率控制电路；其次是天线的设计必须在有限的芯片面积内实现高效的辐射和接收；最后是调制解调技术的选择，要在功耗和性能之间找到最优平衡。
从系统级角度看，太赫兹无线互联架构具有传统总线无法比拟的灵活性。每个芯片节点都可以作为无线通信的独立终端，无需复杂的布线拓扑。这种分布式架构特别适合大规模并行计算系统，能够显著简化系统复杂度并提高可维护性。同时，无线连接的动态配置能力使得系统可以根据实际负载需求灵活调整通信拓扑，实现资源的动态优化分配。
产业应用前景与技术演进
在产业应用方面，太赫兹芯片无线互联技术的市场前景十分广阔。在数据中心领域，随着 AI 训练和推理工作负载的快速增长，服务器间的高带宽互联需求日益迫切。传统的光纤和铜缆连接虽然技术成熟，但在可扩展性和部署灵活性方面存在局限。太赫兹无线互联技术可以提供 Tb/s 级别的数据传输速率，同时支持灵活的网络拓扑重构，为下一代数据中心架构提供了新的可能性。
在 6G 移动通信网络中，太赫兹频段被视为实现超高速数据传输的关键技术之一。相比当前的 5G 技术，6G 网络需要在多个数量级上提升数据传输速率和连接密度。太赫兹芯片级无线互联技术可以显著降低终端设备的功耗和复杂度，为实现真正的万物互联奠定技术基础。
从商业化进展来看，已经有初创公司开始布局这一领域。例如，AttoTude 公司专注于开发用于 AI 和超大规模数据中心场景的太赫兹互联技术，已获得 9100 万美元的融资。他们的 THz 无线传输平台基于标准 ASIC 工艺，支持高达 40 米的低损耗线缆传输，并且与数据传输速率无关，无需使用光子器件。这表明太赫兹芯片技术正在从实验室走向产业化应用。
技术挑战与未来展望
尽管太赫兹芯片无线互联技术展现出巨大潜力，但在向大规模应用转化过程中仍面临诸多挑战。首要挑战是热管理问题。太赫兹器件在高频工作条件下会产生显著的功耗密度，特别是当系统扩展到大规模 CMOS 阵列时，散热将成为制约性能的关键因素。这需要开发更加高效的散热解决方案，包括精心设计的热沉结构和主动散热系统。
其次是器件可靠性和寿命问题。太赫兹电路通常在相对极端的电热条件下运行，这会显著缩短晶体管的使用寿命。如何在保证性能的同时提高器件的长期稳定性，是产业化面临的重要技术难题。这需要从材料科学、器件结构和电路设计多个层面协同优化。
展望未来，太赫兹芯片无线互联技术有望在 5-10 年内实现产业化突破。随着硅工艺技术的持续进步和成本的逐步降低，该技术将首先在高端数据中心和 6G 基站等对性能要求极高的场景中应用，然后逐步扩展到更广泛的消费电子和物联网设备中。这种技术变革将深刻影响未来计算系统的架构设计，推动整个半导体产业向更高性能、更高效率的方向发展。
太赫兹芯片无线互联技术的突破标志着半导体工程进入了一个全新的时代。通过巧妙解决硅 - 空气界面的技术难题，研究人员为芯片级无线通信开辟了新的可能性。这种技术不仅有望解决当前计算系统的互联瓶颈，更为构建下一代智能化、分布式的计算系统提供了关键技术支撑。随着研究的深入和产业化进程的推进，我们有理由相信，太赫兹芯片技术将在不远的将来为信息社会带来革命性的改变。
参考资料来源：
- IEEE Spectrum, "Terahertz Chip Promises Big Power Without Big Lenses", March 15, 2025
- MIT 研究团队在 IEEE 国际固态电路会议发表的论文，2025 年 2 月