Luxtera:光電子的革命

　　光通信在某些市場大行其道，在這些市場上，使用光纖的成本和復(fù)雜性是無法避免的。對于大批量應(yīng)用而言，銅線纜作為通信介質(zhì)仍然占據(jù)統(tǒng)治地位，但未來將屬于光纖和無線通信。盡管很多公司，包括Intel，都還在研究這些未來的光解決方案，但一家起步公司—Luxtera卻計劃在2006年向市場推出一種成本經(jīng)濟性好的解決方案，來加速這一技術(shù)轉(zhuǎn)移進程。
 
　　這家取得突破性成就的公司Luxtera宣稱，擁有一種可以讓傳統(tǒng)的硅圓片與光學(xué)元件實現(xiàn)對接，并在硅片上中進行光調(diào)制的方法，這種調(diào)制避免了兼容性更差的材料的使用。今年早些時候，Intel展示的結(jié)果表明，在硅上也可以制作激光器件，但Luxtera的解決方案可以讓激光器在另一塊單獨的芯片上制造。Luxtera的設(shè)計消除了使用昂貴的III－V族化合物半導(dǎo)體材料（如砷化鎵和磷化銦）的必要。雖然硅對于可見光而言是不透明的，但這種材料對紅外光卻具有驚人的透光性，而且人們可以制作硅結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)紅外激光的導(dǎo)波和修正。
 
　　光通信面臨的挑戰(zhàn)是如下方面的成本問題：光學(xué)激光器、對激光束進行調(diào)制/解調(diào)所需的元件；讓芯片元件與光纖實現(xiàn)對接所需的極其精密的機械設(shè)計。Luxtera宣稱找到了一種成本經(jīng)濟性非常好的方法，可將激光與調(diào)制芯片實現(xiàn)很好的配合，并將硅片上的調(diào)制器與光纖實現(xiàn)配合。不幸的是，Luxtera的革新性技術(shù)的細(xì)節(jié)目前尚處保密狀態(tài)，因此目前該公司的許多聲明無法得到證實。某些基本的研究最初來自于加州理工學(xué)院（Caltech，該校繼續(xù)成為R&D伙伴），但大部分知識產(chǎn)權(quán)（IP）是由Luxtera開發(fā)的。該公司在三月半月后發(fā)動了第一波新聞媒體攻勢。
 
　　使得Luxtera特別有吸引力的一點，就是該公司并沒有僅僅依賴一個好的主意——它建立在多個好的主意的基礎(chǔ)上，這些思想綜合起來就可以制造出完整的解決方案。這些概念都建立在長達7年的研究和開發(fā)工作的基礎(chǔ)上，代表了新的光纖連接技術(shù)和硅調(diào)制器設(shè)計。在建立上述的解決方案時，該公司形成了一個豐富的IP庫，其中有約100項成果即將獲得專利。
 

圖1  Luxtera的測試板卡
 
　　Intel也在探索如下的技術(shù)：對發(fā)射光的調(diào)制、硅結(jié)構(gòu)中的光導(dǎo)能力、光纖到硅片的機械對接以及最近研發(fā)的第一種硅激光器件。Intel擁有一家建在Santa Clara的光電子實驗室，MPR最近有幸參觀了一番。雖然硅的特性并不適合于傳統(tǒng)的激光產(chǎn)生，但Intel能夠利用Raman效應(yīng)在硅中制造出激光器。不過，到目前為止，Intel的努力還局限于實驗室中的試驗，該公司還沒有公開聲明它何時交付投入生產(chǎn)的解決方案
 
銅互聯(lián)走到了盡頭？Is Copper Down to the Wire?
 
　　多年以來，設(shè)計界依賴于帶有銅線層的印刷電路板來完成芯片間的互聯(lián)，而且依靠底板和銅線纜完成機箱和網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。但是，整個電子生態(tài)系統(tǒng)日益增長的、對帶寬的需求正不斷推動銅互聯(lián)基礎(chǔ)架構(gòu)的極限擴展。變得越來越復(fù)雜的信號調(diào)理和精密的位與時鐘編碼方法已經(jīng)使得銅線傳輸可能的速度擴展到5Gb及5Gb以上，但在較長的距離上，10Gb的速度則達到了銅線傳輸?shù)臉O限。
 
　　不過，永遠(yuǎn)不要低估市場延長銅纜、Ethernet和TCP/IP協(xié)議的壽命的能力。在1990年代早期，人們預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的未來是針對光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）的（ANSI）X3T9.5標(biāo)準(zhǔn)。其目標(biāo)是以一種更健壯、可管理性更好、性能更高的標(biāo)準(zhǔn)來取代銅線。然而，F(xiàn)DDI卻僅僅成為一種面向校園局域網(wǎng)的、應(yīng)用面狹窄的解決方案，而在雙絞線上傳輸?shù)?0/100M Ethernet則投入了大規(guī)模應(yīng)用。Ethernet后來被擴展到1Gb，最新的嘗試則是找出一種成本經(jīng)濟性好的10G解決方案（IEEE 10Gbase－T），它可以保證至少55m的傳輸距離?，F(xiàn)在尚不清楚這一再一次擴展銅線Ethernet容量的最新努力是否會成功。10Gbase－T的實現(xiàn)將需要一種優(yōu)于常見的Cat5電纜的電纜。
 
　　數(shù)據(jù)率達10G的芯片間解決方案很有可能來自于不同的IP提供者，但這些方案的大多數(shù)都需要大量的信號處理，走線長度方面受到限制，而且承受著功耗和電磁輻射的增加所帶來的負(fù)擔(dān)。
 
　　銅線的主要優(yōu)勢在于，它是現(xiàn)成的（見現(xiàn)有的電纜連接和FR4 PCB基礎(chǔ)架構(gòu)），而且它的運用十分方便。除了遠(yuǎn)距應(yīng)用和高EMI環(huán)境之外，光纖線纜在各應(yīng)用中的滲透能力尚無法與銅線相比。光纖電纜的問題是使用時的成本和復(fù)雜性。光纖的成本從長遠(yuǎn)來看不是一個問題，因為光纖都采用了更為便宜的材料（玻璃vs.銅），而且由于可用于遠(yuǎn)程傳輸，單模光纖得到了大規(guī)模應(yīng)用。光纖的昂貴之處就在于其連接器和激光驅(qū)動器。
 
　　雖然LED 可以與多模光纖一起使用，而且價格并不十分昂貴，但大多數(shù)的應(yīng)用則針對激光和單模光纖的使用，因為它們的傳輸距離更遠(yuǎn)。采用激光后，通信范圍得到了擴展，通過使用多種波長來承載信息以提高帶寬的技術(shù)也成為可能，該技術(shù)已經(jīng)用于昂貴的遠(yuǎn)距離骨干網(wǎng)，被稱為密集波分復(fù)用（DWDM）。采用DWDM后，帶寬可以遞增相加，一直累進到太位（1012bit）級帶寬。
 
電子無法長時間阻擋光子的腳步
 
　　戰(zhàn)爭是在2種基本的信息傳輸介質(zhì)間爆發(fā)的：電子和光子。最終的結(jié)果很容易就可以預(yù)測出——光子最終會贏得這場戰(zhàn)爭。光子的傳輸距離比電子遠(yuǎn)（在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中），所消耗的功率更少，而且發(fā)熱更小。物理學(xué)的基本規(guī)律決定了，隨著時間的推移，一旦某些障礙得以克服，光子學(xué)將取代電子學(xué)。當(dāng)然，光電子的元件不會像電子元件那么便宜，或者不會那么容易制造。
 
　　這種介質(zhì)的轉(zhuǎn)換從遠(yuǎn)距離的電信電纜開始，然后發(fā)展到中等距離傳輸，形式是光纖到路邊（fiber-to-the-curb）的電纜設(shè)施建設(shè)。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，光纖用于必須具備如下特性的場合：高帶寬、抗干擾、遠(yuǎn)距離傳輸。一旦價格和制造問題可以讓光電子的成本進一步削減的話，我們就會看到數(shù)據(jù)中心將添加更多的電纜——首先用于機架間的連接，然后用于電路板間的連接，最終會用于芯片間的連接。即使10G調(diào)制和光纖到硅芯片連接的成本得以降低，人們還需要制定光電子底板方面的標(biāo)準(zhǔn)，并開發(fā)出印刷電路板上的光路由的大批量制造技術(shù)。
 
　　來源于Luxtera技術(shù)的首批測試部件目前正由Freescale在其主流的130nm SOI硅工藝線上制造。第一個生產(chǎn)型的部件將于06年二季度開始提供樣品，而且將采用標(biāo)準(zhǔn)的XFP 10Gb模塊形式。這種XFP模塊是用于OC192/STM-64信道、10G Fibre 信道和10G Ethernet的標(biāo)準(zhǔn)的光電部件。（如要了解更多關(guān)于XFP 10G的信息，可以訪問http://www.xfpmsa.org/。）XFP模塊還需要一個10Gb差分電氣連接來實現(xiàn)串行的數(shù)據(jù)連接。
 
　　Luxtera的第一種產(chǎn)品可以讓該公司直接嵌入現(xiàn)有的基礎(chǔ)架構(gòu)中，我們可以認(rèn)定，它的報價將定在一個出奇的價位上，以證明Luxtera實現(xiàn)方案在成本上的優(yōu)勢。該公司在這些模塊之外還有什么計劃，尚不得而知，但Luxtera可以繼續(xù)將該技術(shù)留給自己的硅基網(wǎng)絡(luò)物理層（PHY）元件。如果該公司的最終目標(biāo)是彌漫式的、滲透到系統(tǒng)芯片級的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，就需要給予主流IC制造商使用該技術(shù)的許可，使之能集成到高性能的微處理器和系統(tǒng)器件中。
 
　　對Luxtera而言，而且一般來說對整個光電子技術(shù)而言，未來確實十分光明。該公司已經(jīng)向少數(shù)幾家關(guān)鍵性的伙伴，包括Sun Microsystems，展示了其技術(shù)。我們將一直關(guān)注該公司的進展，而且我們希望將來能報道更多的細(xì)節(jié)。我們還預(yù)計多家公司將繼續(xù)把銅技術(shù)擴展到至少10G的水平，但其傳輸距離仍會受限。