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用化的硅光學(xué)芯片，這項已有二十年發(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)功耗的同時提升帶寬，采用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù)，將光學(xué)與電子元件組合至一個獨立的微芯片中以提升路由器和交換機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、同時將能量消耗降低到令人難以置信的級別。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)真能為人類打開一扇通往新世界的大門?

　　細(xì)說硅光子的發(fā)展史詩

　　早在上世紀(jì)九十年代，IT從業(yè)者就開始為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者。其中光子計算一度被認(rèn)為是最有希望的未來技術(shù)。但是現(xiàn)實總是殘酷的?？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：光信號在傳輸過程中很少衰減，幾乎不產(chǎn)生熱量，同時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，不像光子計算那樣近乎幻想。于是從21世紀(jì)初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(gòu)就開始重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(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。

　　光信號技術(shù)有很多優(yōu)勢，但傳統(tǒng)光學(xué)數(shù)據(jù)設(shè)備的體積龐大，難以應(yīng)用在芯片級的信號網(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，使芯片間光信號交換成為可能。使用該技術(shù)的芯片中，電流從計算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號發(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。

　　把復(fù)雜的光電轉(zhuǎn)換模塊縮小到納米尺寸，同時還要能用半導(dǎo)體工藝制造不是容易的事情。雖然實驗室中早有成果，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)提供的帶寬達到很高的水平，也降低了業(yè)界對硅光學(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)提高帶寬變得越來越困難。同時云計算產(chǎn)業(yè)卻對芯片間數(shù)據(jù)交換能力提出了更高的要求：數(shù)據(jù)中心、超級計算機通常會安裝數(shù)以千計的高性能處理器，可這些芯片的協(xié)同運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傳輸系統(tǒng)中，它將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銅制線纜的能力。就在2014年，硅光子器件公司Kotura宣布其Optical Engine可以通過使用波分復(fù)用實現(xiàn)100Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，允許不同波長的多個數(shù)據(jù)信號共享相同光學(xué)通路。此類設(shè)備適用于數(shù)據(jù)中心與高性能計算應(yīng)用程序，解決基于銅線的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能不足問題。此外，IBM、Intel與NEC等芯片廠商巨頭也正在開發(fā)硅光子器件。一時之間，硅光子被廣泛重視。

　　背景強大 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，建立起全球首個集成激光器的端到端硅基光數(shù)據(jù)連接，證明未來計算機可以使用光信號替代電信號進行數(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，通過與Intel的大力合作，已成功打造并展示了全球第一臺基于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。

　　另一位藍色巨人IBM也沒閑著。在 Intel建起全球首個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)，通過將電子、光學(xué)設(shè)備融合在同一塊硅片上，實現(xiàn)了芯片間通信從電信號到光脈沖的進化。

　　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，使計算機芯片之間通過光脈沖(而不是電子信號)進行通訊。科學(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，為億億次超級計算機的研發(fā)開辟道路。這是IBM歷時10年研發(fā)的CMOS集成硅納米光子學(xué)技術(shù)，通過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)系再進一步。這對于硅基光學(xué)互連的聯(lián)合研究有望帶來諸多益處，包括高速、低功耗和成本節(jié)省。

　　2013年，華為收購了領(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Caliopa發(fā)展的承諾，華為一直對其人力資源和基礎(chǔ)設(shè)施進行投資，使之與自己的快速增長步調(diào)一致。

　　結(jié)語

　　等等這些行業(yè)巨頭都在瞄準(zhǔn)硅光子市場，重點開發(fā)硅光子技術(shù)。強大的背景支持，結(jié)合夯實的歷史基礎(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，但在整個產(chǎn)業(yè)界的努力下，問題正在被突破，業(yè)界對硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心，有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計廣泛應(yīng)用需要7-10年的時間。只要相信，就能做到!更多問題，留給時間去驗證吧。