下一代技術(shù)發(fā)展方向——硅光子

　　ICCSZ訊（編輯：Debi）隨著近日IBM宣布已成功研制出實(shí)用化的硅光學(xué)芯片，這項(xiàng)已有二十年發(fā)展歷史的技術(shù)重新泛起日出般的光芒。

　　令很多人興奮不已的下一代技術(shù)之一就是硅光子技術(shù)，它在大幅度降低系統(tǒng)功耗的同時(shí)提升帶寬，采用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，將光學(xué)與電子元件組合至一個(gè)獨(dú)立的微芯片中以提升路由器和交換機(jī)線卡之間芯片與芯片之間的連接速度。用“芯片到芯片片”(chip-to-chip)的通訊方式，在硅片上用光來(lái)作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)，因此能夠取得比傳統(tǒng)銅導(dǎo)線更優(yōu)異的數(shù)據(jù)傳輸性能、同時(shí)將能量消耗降低到令人難以置信的級(jí)別。近日，IBM宣稱已將這一技術(shù)提升到了更高的層次，并且將一個(gè)硅光集成芯片塞到了與CPU相同的封裝尺寸中。這一消息令行業(yè)再次沸騰，硅光子當(dāng)真能為人類(lèi)打開(kāi)一扇通往新世界的大門(mén)?

　　細(xì)說(shuō)硅光子的發(fā)展史詩(shī)

　　早在上世紀(jì)九十年代，IT從業(yè)者就開(kāi)始為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者。其中光子計(jì)算一度被認(rèn)為是最有希望的未來(lái)技術(shù)。但是現(xiàn)實(shí)總是殘酷的?？茖W(xué)家和工程師很快就發(fā)現(xiàn)制造納米級(jí)的光學(xué)透鏡是如此困難，想在小小的芯片上集成數(shù)十億的透鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類(lèi)現(xiàn)有的技術(shù)水平。

　　好在科研單位并未放棄將光線引入芯片世界的努力。很快人們發(fā)現(xiàn)用光通路取代電路來(lái)在硅芯片之間傳輸數(shù)據(jù)是很有潛力的應(yīng)用方向：光信號(hào)在傳輸過(guò)程中很少衰減，幾乎不產(chǎn)生熱量，同時(shí)可以輕松獲得恐怖的帶寬;最重要的是在硅芯片上集成光學(xué)數(shù)據(jù)通道的難度不算太高，不像光子計(jì)算那樣近乎幻想。于是從21世紀(jì)初開(kāi)始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。

　　光信號(hào)技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)光學(xué)數(shù)據(jù)設(shè)備的體積龐大，難以應(yīng)用在芯片級(jí)的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中。硅光學(xué)技術(shù)的目標(biāo)就是在芯片上集成光電轉(zhuǎn)換和傳輸模塊，使芯片間光信號(hào)交換成為可能。使用該技術(shù)的芯片中，電流從計(jì)算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

　　把復(fù)雜的光電轉(zhuǎn)換模塊縮小到納米尺寸，同時(shí)還要能用半導(dǎo)體工藝制造不是容易的事情。雖然實(shí)驗(yàn)室中早有成果，但成品的良率和成本一直難以令人滿意。另一方面，2004年后串行數(shù)據(jù)電路技術(shù)飛速發(fā)展，PCIe、QPI、HyperTransport等總線技術(shù)提供的帶寬達(dá)到很高的水平，也降低了業(yè)界對(duì)硅光學(xué)技術(shù)的潛在需求。

　　直到幾年前，業(yè)界發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的銅電路已經(jīng)接近物理瓶頸，繼續(xù)提高帶寬變得越來(lái)越困難。同時(shí)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)卻對(duì)芯片間數(shù)據(jù)交換能力提出了更高的要求：數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)通常會(huì)安裝數(shù)以千計(jì)的高性能處理器，可這些芯片的協(xié)同運(yùn)算能力卻受到芯片互聯(lián)帶寬的嚴(yán)重制約。

　　短期內(nèi)，硅光子芯片將被部署在高速信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，它將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銅制線纜的能力。就在2014年，硅光子器件公司Kotura宣布其Optical Engine可以通過(guò)使用波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)100Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，允許不同波長(zhǎng)的多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)共享相同光學(xué)通路。此類(lèi)設(shè)備適用于數(shù)據(jù)中心與高性能計(jì)算應(yīng)用程序，解決基于銅線的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能不足問(wèn)題。此外，IBM、Intel與NEC等芯片廠商巨頭也正在開(kāi)發(fā)硅光子器件。一時(shí)之間，硅光子被廣泛重視。

　　背景強(qiáng)大 硅光子重出江湖

　　早在2010年，Intel就在硅光子技術(shù)上取得了重大突破，建立起全球首個(gè)集成激光器的端到端硅基光數(shù)據(jù)連接，證明未來(lái)計(jì)算機(jī)可以使用光信號(hào)替代電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　2013年9月，Intel、康寧宣布共同研發(fā)了新的光纖傳輸技術(shù)，300米之內(nèi)可以做到1.6Tb/s(200GB/s)的驚人速度，這種光纖采用了康寧的ClearCurve LX多模光纖技術(shù)，并搭配Intel MXC光學(xué)接口，未來(lái)可以支持Intel硅光子技術(shù)產(chǎn)品。

　　2013年11月富士通宣布，通過(guò)與Intel的大力合作，已成功打造并展示了全球第一臺(tái)基于Intel OPCIe(光學(xué)PCI-E)的服務(wù)器，而其中的核心技術(shù)就是Intel苦心研發(fā)多年的硅光子。

　　另一位藍(lán)色巨人IBM也沒(méi)閑著。在 Intel建起全球首個(gè)集成激光器的端到端硅基光數(shù)據(jù)連接之后不久，IBM之后很快也披露了自己的“CMOS集成硅納米光子”技術(shù)，通過(guò)將電子、光學(xué)設(shè)備融合在同一塊硅片上，實(shí)現(xiàn)了芯片間通信從電信號(hào)到光脈沖的進(jìn)化。

　　2010年，IBM在日本東京發(fā)布了其在芯片技術(shù)領(lǐng)域的最新突破——CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)集成硅納米光子學(xué)技術(shù)，該芯片技術(shù)可將電子和光子納米器件集成在一塊硅芯片上，使計(jì)算機(jī)芯片之間通過(guò)光脈沖(而不是電子信號(hào))進(jìn)行通訊?？茖W(xué)家有望據(jù)此研制出比傳統(tǒng)芯片更小、更快、能耗更低的芯片，為億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)開(kāi)辟道路。這是IBM歷時(shí)10年研發(fā)的CMOS集成硅納米光子學(xué)技術(shù)，通過(guò)將光電器件集成在一塊芯片上，增加芯片之間傳輸數(shù)據(jù)的速度和芯片的性能，突破了這一瓶頸。

　　近日，IBM宣稱已將硅光子技術(shù)提升到了更高的層次，并且將一個(gè)硅光集成芯片塞到了與CPU相同的封裝尺寸中。

　　2014年12月，華為與納米研究中心——比利時(shí)的微電子研究中心(IMEC，Interuniversity Microelectronics Centre)聯(lián)合宣布，聚焦于光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)，其戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系再進(jìn)一步。這對(duì)于硅基光學(xué)互連的聯(lián)合研究有望帶來(lái)諸多益處，包括高速、低功耗和成本節(jié)省。

　　2013年，華為收購(gòu)了領(lǐng)先的硅光子技術(shù)公司，拆分自IMEC和UGent的Caliopa，從而將硅光子研究納入了其歐洲研發(fā)組合。為了兌現(xiàn)促進(jìn)Caliopa發(fā)展的承諾，華為一直對(duì)其人力資源和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行投資，使之與自己的快速增長(zhǎng)步調(diào)一致。

　　結(jié)語(yǔ)

　　等等這些行業(yè)巨頭都在瞄準(zhǔn)硅光子市場(chǎng)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)硅光子技術(shù)。強(qiáng)大的背景支持，結(jié)合夯實(shí)的歷史基礎(chǔ)，硅光子技術(shù)戴著閃耀的光環(huán)重出江湖。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，硅光子可能投入更實(shí)際與廣泛的應(yīng)用，甚至能替代半導(dǎo)體晶體管等光學(xué)芯片，獲得更高的計(jì)算性能。當(dāng)然，硅光子目前還面臨很多技術(shù)瓶頸，但在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的努力下，問(wèn)題正在被突破，業(yè)界對(duì)硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心，有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)廣泛應(yīng)用需要7-10年的時(shí)間。只要相信，就能做到!更多問(wèn)題，留給時(shí)間去驗(yàn)證吧。