Paper
利用玻璃基板光子平台
解决AI半导体电力难题
ASDL AI Semiconductor Driving Laboratory
金永贤教授与陈太元、郑熙允研究员
- 文. 朴英仁（音）
- 图. 孙初元（音）
问题最终在于能源
今年1月，美国特朗普政府提议进行紧急发电厂建设竞标拍卖，以应对AI数据中心激增导致的电力短缺问题。其意图在于将电力成本转嫁给大型科技公司。部分大型科技公司已开始自建发电设施，特斯拉CEO埃隆·马斯克更是提出了建设以太阳能驱动、以辐射冷却方式散热的太空数据中心构想，引发广泛关注。这一切都是因为AI的推理和运算需要消耗海量电力。
“问题在于能源。AI技术的跨越式发展为人类生活带来了便利，但其背后是爆炸性的能源消耗，引发了巨大的社会成本问题。若继续沿用当前铜布线为主的通信方式，难以避免能源危机。相反，要是对光加以利用，就能解决AI半导体芯片的关键问题——能耗与发热。”
这正是领导AI半导体驱动实验室（AI Semiconductor Driving Laboratory，简称ASDL）的金永贤教授专注于研究光通信技术的原因，即提高数据传输效率，进而实现降低能耗。ASDL实验室已经掌握在玻璃基板上设计、制造、评估、分析光学元件的高端光封装原创技术，可以突破传统铜布线的局限性。去年11月，该团队推出了下一代“玻璃基板基氮化硅（SiN）光子集成平台”。
该研究在全球范围内首次在晶圆级层面成功验证了基于玻璃基板的下一代光重布线层——“SING（玻璃基氮化硅光子学）平台”，其卓越性获得了认可。研究团队利用氮化硅与金属反射层，证明该平台可实现达到传统技术10倍以上的集成度，以及106Gbps的超高速传输性能。光晶圆代工技术此前依赖海外，该研究在国产化潜力方面同样具有重要意义。该团队其实已经向相关企业完成了5亿韩元规模的技术转让。
研究参与人员还在国际学术期刊上发表论文
这项研究更具意义的一点在于，参与其中的研究员们将各自负责的部分深入发展，并成功发表在国际学术期刊上。例如，陈太元研究员（纳米光电子学系博士课程2025级）主导“用于面板级封装中可扩展、高密度光重布线层的玻璃基板氮化硅光子平台”研究，并发表于光电子领域SCI级期刊《Optics Express》。
“据说AI模型的性能每六个月就会翻倍，而要维持这一发展势头，解决带宽和功耗问题的新技术必不可少。基于‘需要一个能应对AI运算量增长的光子集成平台’的构想，我们证明了玻璃基板氮化硅平台合适可行。”
此外，郑熙允研究员（纳米光电子学系硕博连读课程2025级）开展“在玻璃基板上实现带有金属反射镜的氮化硅光栅耦合器”研究，并将其发表于《IEEE Photonics Technology Letters》。此前，郑熙允研究员还曾将最终设计成果发表于《JJAP（Japanese Journal of Applied Physics）》，为相应研究奠定了基础。
“如果说发表在《JJAP》上的论文展示了设计的可能性，第二篇发表的论文则通过真实工艺和测量验证了卓越性能。我设计的数值通过实验数据得到证明，这让我作为工程师感到无比欣慰。”
迈向可持续的人工智能时代
金永贤教授平时会积极鼓励研究员们在国际学术会议或学术期刊上发表论文，甚至会亲自过问截稿日期，以防研究员们有所松懈。
“培养优秀工程师也是我的一项重要使命。看着研究员们变成比我更懂的资深专家，就是我最大的欣慰。平时我经常叮嘱研究员们要做一些对产业有所贡献的研究。”
去年8月，金永贤教授创立“YK Photonics”公司，用实际行动为研究员们树立榜样。韩国缺乏商业化的光晶圆代工基础设施，导致研究遇到困难，而他正是本着为社会做贡献的决心创业。他的目标是将环保高效的光通信技术切实引入产业界。为此，他承诺将坚定不移，脚踏实地向前迈进。
MINI INTERVIEW
陈太元研究员（纳米光电子学系博士课程2025级）
对于新手研究人员来说，最重要的素质是什么？
陈太元研究员我认为最重要的素质是好奇心。在研究过程中观察元件行为或开展实验时，面对前辈的研究方法、设备使用手册等，只有带着“为什么会这样”的疑问并保持主动探究的习惯，才能在研究这条路上持之以恒。其次是说服力，无论有多么重大的发现，要是无法令人信服便毫无用处，所以这一项素质甚至可能比第一项素质更为重要。
请谈谈未来的研究计划与目标？
陈太元研究员首要目标是深入钻研集成光学领域的各类光学元件，开展有望实际用于产业界的应用型研究。第二个目标是在此基础上推动硕士阶段的研究课题——“一种集成铁电体的新概念元器件”。我希望由此在集成光学领域积蓄力量，进而成为一名能为产业界切实做出贡献的研究员和工程师。
郑熙允研究员（纳米光电子学系硕博连读课程2025级）
请介绍一下发表在国际期刊上的“在玻璃基板上实现带有金属反射镜的氮化硅光栅耦合器”这一研究的卓越之处。
郑熙允研究员玻璃基板是备受关注的下一代半导体基板，但存在一个致命缺陷，也就是光线容易向下泄漏，导致光耦合效率低下。为了解决这一问题，我开发了一种基于氮化硅的光栅耦合器，并将其置于带有金属反射镜的玻璃基板上。这种设计有效阻止了光线损耗，使光耦合损耗较以往改善4.3dB以上，并且通过超高速数据传输试验证实了具有商用化潜力。
请谈谈未来的研究计划与目标？
郑熙允研究员从短期来看，我的目标是将光耦合损耗降至极限水平，制作出达到理论极限值Sub-dB（低于1dB）级别的世界一流光学元件。从长远来看，希望我们实验室的技术能成为全球标准，为韩国引领CPO及下一代玻璃基板封装市场奠定基础。我将努力成为一名超越理论的研究工作者，争取改变产业一线的范式。
