下一代技術(shù)發(fā)展方向——硅光子解讀

　　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(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(jì)算一度被認(rèn)為是最有希望的未來技術(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(jì)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(jī)構(gòu)就開始重點(diǎn)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(jì)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(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(jì)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(jì)算機(jī)通常會安裝數(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(shí)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(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。