专利名称：漫射和镭射光电偶合的集成电路信号线的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路信号线，尤其是涉及可用于高性能电脑、仿生电脑中各芯片之间的集成电路信号线。
背景技术：
现时的集成电路，都以金属导体引线，将讯号接到电路板上，体积大，造价贵，噪音高。由于金属导体引线的间隔，只能做到0.5mm左右，500多个插脚，成了引线的极限。CPU的总线位数，地址位数，多在64位以下，I/O的传输带宽构成一个瓶颈，限制了电脑向更高的运算能力和更小体积的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能解决电脑芯片之间信号传输带宽的问题，把超级电脑的现时的运算能力提高一个数量级；并可把同样的电脑体积缩小的集成电路信号线。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现利用发光二极管发出的漫射光或激光，集成电路芯片上组成光电偶合对作为连接集成电路的信号线。采用光发射和接收的技术，在集成电路芯片上，建造光偶合电路，密度可以达到0.05mm或以上，比插脚高100倍多。除了电源和一些功率输出外，集成电路芯片IC之间的信号线，多可以用光电偶合对代替，提高密度。
本发明把光电偶合对在集成电路芯片上以矩阵方式排列组成光电偶合矩阵作为连接集成电路的信号线。在每一片需要连接的集成电路芯片上，利用芯片上集成系统(SOC)技术，可将光电偶合矩阵集成上去，取代金属插脚。由于电路的密度可以做得很高，一片芯片内，以矩阵方式排列，每片IC用光电偶合造成的矩阵，可达到数以千计或万计。把芯片上的光电偶合矩阵，交错地对联起来，讯号便可以从一片芯片传到另一片，代替金属接脚和连线，每个光信道，都只有单个方向，而且只有点对点的收和发。
本发明把光发射元做成中空的发光体置于集成电路芯片上，在芯片底面上位于发光体下方为中空的反射片，光敏接收组件置于发光体周围，发光体上方放置一片中空的反射片或半透明的漫射片，再把经相同处理的芯片堆迭起来，对应位置上的一串收发组件形成一条贯穿全部堆迭芯片的光信道构成各芯片之间的信号总线。当发光二极管在非相干的漫射模式下工作，芯片制造工艺要求仍然相对简单，物理结构已比芯片-金属导线-插脚-电路板-插脚-导线-芯片，组成的系统简单，总线频率也可以大大提高。
本发明把所述光信道总线在集成电路芯片上以矩阵方式排列组成总线矩阵作为连接集成电路的信号线。
本发明所述总线外壁嵌入圆柱形的折光层和吸收层，隔离总线内腔和芯片体，减少光信道间的互相干扰，又可构成总线谐振腔，改良总线的性能。
本发明所述光信道总线矩阵输出的末端可组成激光发射器，通过成像透镜，用作投影屏幕。
本发明有以下优点(1)本发明中数据以光能的形式在芯片间传递，取代以电能型式的金属线。以光传送讯号，在抗噪音，抗电磁干扰，抗氧化，都比金属接线优越。体积也可做到很小。
(2)光信道总线在谐振状态下工作，激光发射效率可达50％以上，激光发射临界电流可以低至数十微安，调制频率可达10GHz。此时会有较高的发散系数和较远的传送距离。用光信道矩阵连接的总线，如果用条数以千计算(K)级的总线宽度，每个时钟周期，可进出的数据量，也是以K计算。在千兆赫(G)级的频率下，带宽可以轻易达到兆兆(T)级。以现时的激光发射能量和光敏组件的灵敏度，发散系数可以数十万计，真正的极限是在可连接的谐真腔几何型状上；普通情形下，串接2-64片芯片的总线，应很易达到。
(3)把芯片堆迭起来，同时用光电偶合形成的光信道矩阵作为芯片堆的总线，可以把多个CPU，MPU，RAM，I/O，GPU，甚至LCD显视屏等相同或者不同功能的芯片连接起来，这样组成的运算能力可大为提高，同时体积也可更小。
图1为光电偶合对示意图；图2为光电偶合对矩阵示意图；图3为芯片上的光电偶合矩阵交错地对接示意图；图4为云片糕式芯片堆；图5为肋骨型芯片堆；图6为瓦片状芯片连接；图7为对于需放在远处时用光纤连接示意图；图8为直接偶合的PDA示意图；图9为激光谐振腔光信道总线示意图；图10为激光谐振腔光信道总线矩阵连接示意图；图11为光信道总线设置折射和吸收层的示意图；图12为标准矩阵模组；图13为多芯片组成的机群MPP示意图。
具体实施例方式
如图1、图2、图3所示，利用发光二极管发出的漫射光或激光，集成电路芯片上组成光电偶合对作为连接集成电路的信号线。发光二极管在一片芯片上发射讯号，在另一片芯片上用光敏元件接收，光敏元件可以是光敏二极管，光敏三极管，光电荷偶合器(ECC)。偶合对可以做成双通道单向收发或单通道双向收发的形式；传递信号的光，包括非相干的广谱漫射光和相干的镭射光。这样采用光发射和接收的技术，在集成电路芯片上，建造光偶合电路，密度可以达到0.05mm或以上，比插脚高100倍多。除了电源和一些功率输出外，集成电路芯片IC之间的信号线，多可以用光电偶合对代替，提高密度。
把光电偶合对在集成电路芯片上以矩阵方式排列组成光电偶合矩阵作为连接集成电路的信号线。距阵的行数可以是1至任意正数N，列数是1至另一任意正数M。由于电路的密度可以做得很高，一片芯片内，以矩阵方式排列，每片IC用光电偶合造成的矩阵，可达到数以千计或万计。把芯片上的这些光电偶合矩阵，交错地对联起来，信号便可以从一片芯片传到另一片，每个光信道，都只有单个方向，而且只有点对点的收和发。在每一片需要连接的集成电路芯片上，利用芯片上集成系统(SOC)技术，可将光电偶合矩阵集成上去，取代金属插脚和连线。
上述光电偶合矩阵，装在集成电路芯片上，代替传统的金属脚，在多片芯片之间传输数据，把多片芯叠起来，或者用透光的物质粘起来，以交错的光电距阵作数据总线，组成庞大的数据处理系统。在芯片的双面设置光电偶合矩阵信号线，可以做成如图4的云片糕式芯片堆；如图5的肋骨型芯片堆；在芯片的单面设置光电偶合矩阵信号线，可以做成图6的瓦片状芯片堆；做成瓦片状的空间利于流体散热。对于需放在远处时，设置光电偶合矩阵信号线的芯片之间可用光纤连接如图7。
如图8为直接偶合的PDA示意图，以LCD显视屏为基片11(取其面积较大)，接上光电偶合矩阵12，把CPU13，内存14，多片闪存15，IO模块16，及其它模块17粘上去，模块间除电源和外接线路外，接线很少，大规模生产时，成本可能比芯片-金属导线-插脚-电路板-插脚-导线-芯片组成的系统更便宜，稳定性更高，由于每片闪存与CPU直接连接，可以同时读取，速度更快。
如图9、图10、图11所示，把光发射元做成中空的星形发光体置于集成电路芯片上，在芯片底面上位于发光体下方为中空的反射片，光敏接收组件置于发光体周围，发光体上方放置一片中空的反射片或半透明的漫射片，再把经相同处理的芯片堆迭起来，对应位置上的一串收发组件形成一条贯穿全部堆迭芯片的光信道构成各芯片之间的信号总线。光能从二极管光发射源2射出，在芯片的底反射层3，和面干涉反射层4之间，来回反射，构成芯片中的谐振腔5，部分能量从中心贯穿全部迭芯片的透明总线腔光信道6传导到总线内其它的芯片上，光发射源旁，装有光敏组件7接受信号。在总线外壁嵌入圆柱形的折光层和吸收层8，隔离总线内腔和芯片体，减少光信道间的互相干扰，又可构成总线谐振腔，改良总线的性能。当芯片制造工艺要求达到标准，适当控制腔内的物理参数，谐振腔的阀值电流降到合理范围内，发光二极管可在相干的激光模式下工作，光频带集中在共振频率附近，讯道调制频率可达到10GHz左右。光信道谐振腔总线在集成电路芯片上，以矩阵方式排列组成总线矩阵，集成到各式各样的晶体芯片上。把芯片堆迭起来，利用光讯号，互相沟通，可组成一个高性能电脑，用在仿生智能系统上。
当生产数量不多，如果在每一片芯片上都集成光电偶合组件形成的总线矩阵，成本会较高，可批量生产几种标准的总线矩阵31，与通用的芯片32焊接成模组34，在芯片和矩阵之间，加入一段可编程的开关阵列33，可塑性就更高(如图12)。
如图13展示了一个由六片CPU芯片21，加上RAM22，I/O23等，通过激光总线连成的结点24，再把四个结点用六组总线构成的超立方阵列25。把多个CPU，RAM，I/O，相同或者不同功能的芯片连接起来，运用丰富的总线资源，提供无穷的高速连接方式。
上述光信道总线矩阵输出的末端可组成激光发射器，通过成像透镜，用作投影屏幕。
权利要求
1.一种漫射和镭射光电偶合的集成电路信号线，其特征在于利用发光二极管发出的漫射光或激光，集成电路芯片之间组成光电偶合对作为连接集成电路的信号线。
2.根据权利要求1所述的漫射和镭射光电偶合的集成电路信号线，其特征在于把所述的光电偶合对在集成电路芯片上以矩阵方式排列组成光电偶合矩阵作为连接集成电路的信号线。
3.一种漫射和镭射光电偶合的集成电路信号总线，其特征在于把光发射元做成中空的发光体置于集成电路芯片上，在芯片底面上位于发光体下方为中空的反射片，光敏接收组件置于发光体周围，发光体上方放置一片中空的反射片或半透明的漫射片，再把经相同处理的芯片堆迭起来，对应位置上的一串收发组件形成一条贯穿全部堆迭芯片的光信道构成各芯片之间的信号总线。
4.根据权利要求3所述的漫射和镭射光电偶合的集成电路信号总线，其特征在于把所述光信道总线在集成电路芯片上以矩阵方式排列组成总线矩阵作为连接集成电路的信号线。
5.根据权利要求3或4所述的漫射和镭射光电偶合的集成电路信号总线，所述总线外壁嵌有圆柱形的折光层和吸收层。
6.权利要求4所述的集成电路信号总线，该光信道总线矩阵输出的末端可组成激光发射器，通过成像透镜，用作投影屏幕。
全文摘要
本发明公开了一种漫射和镭射光电偶合的集成电路信号线，利用发光二极管发出的漫射光或激光，集成电路芯片上组成光电偶合对或把光电偶合对在集成电路芯片上以矩阵方式排列组成光电偶合矩阵作为连接集成电路的信号线；另外也可把光发射元做成中空的发光体置于集成电路芯片上，在芯片底面上位于发光体下方为中空的反射片，光敏接收组件置于发光体周围，发光体上方放置一片中空的反射片或半透明的漫射片，再把经相同处理的芯片堆迭起来，对应位置上的一串收发组件形成一条贯穿全部堆迭芯片的光信道构成各芯片之间的信号总线。本发明能解决电脑芯片之间信号传输带宽的问题，把超级电脑的现时的运算能力提高一个数量级；并把同样的电脑体积缩小。
文档编号H01L27/14GK1684254SQ200510033549
公开日2005年10月19日 申请日期2005年3月15日 优先权日2005年3月15日
发明者李奕权 申请人:李奕权