Luxtera:光電子的革命

　　光通信在某些市場(chǎng)大行其道，在這些市場(chǎng)上，使用光纖的成本和復(fù)雜性是無(wú)法避免的。對(duì)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(lái)將屬于光纖和無(wú)線通信。盡管很多公司，包括Intel，都還在研究這些未來(lái)的光解決方案，但一家起步公司—Luxtera卻計(jì)劃在2006年向市場(chǎng)推出一種成本經(jīng)濟(jì)性好的解決方案，來(lái)加速這一技術(shù)轉(zhuǎn)移進(jìn)程。
 
　　這家取得突破性成就的公司Luxtera宣稱(chēng)，擁有一種可以讓傳統(tǒng)的硅圓片與光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)接，并在硅片上中進(jìn)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(shí)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(dú)的芯片上制造。Luxtera的設(shè)計(jì)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(duì)于可見(jiàn)光而言是不透明的，但這種材料對(duì)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(lái)實(shí)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(wèn)題：光學(xué)激光器、對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制/解調(diào)所需的元件；讓芯片元件與光纖實(shí)現(xiàn)對(duì)接所需的極其精密的機(jī)械設(shè)計(jì)。Luxtera宣稱(chēng)找到了一種成本經(jīng)濟(jì)性非常好的方法，可將激光與調(diào)制芯片實(shí)現(xiàn)很好的配合，并將硅片上的調(diào)制器與光纖實(shí)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(wú)法得到證實(shí)。某些基本的研究最初來(lái)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(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）是由Luxtera開(kāi)發(fā)的。該公司在三月半月后發(fā)動(dòng)了第一波新聞媒體攻勢(shì)。
 
　　使得Luxtera特別有吸引力的一點(diǎn)，就是該公司并沒(méi)有僅僅依賴(lài)一個(gè)好的主意——它建立在多個(gè)好的主意的基礎(chǔ)上，這些思想綜合起來(lái)就可以制造出完整的解決方案。這些概念都建立在長(zhǎng)達(dá)7年的研究和開(kāi)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(jì)。在建立上述的解決方案時(shí)，該公司形成了一個(gè)豐富的IP庫(kù)，其中有約100項(xiàng)成果即將獲得專(zhuān)利。
 

圖1  Luxtera的測(cè)試板卡
 
　　Intel也在探索如下的技術(shù)：對(duì)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(jī)械對(duì)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(shí)驗(yàn)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I(xiàn)ntel能夠利用Raman效應(yīng)在硅中制造出激光器。不過(guò)，到目前為止，Intel的努力還局限于實(shí)驗(yàn)室中的試驗(yàn)，該公司還沒(méi)有公開(kāi)聲明它何時(shí)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(lái)，設(shè)計(jì)界依賴(lài)于帶有銅線層的印刷電路板來(lái)完成芯片間的互聯(lián)，而且依靠底板和銅線纜完成機(jī)箱和網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。但是，整個(gè)電子生態(tài)系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的、對(duì)帶寬的需求正不斷推動(dòng)銅互聯(lián)基礎(chǔ)架構(gòu)的極限擴(kuò)展。變得越來(lái)越復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理和精密的位與時(shí)鐘編碼方法已經(jīng)使得銅線傳輸可能的速度擴(kuò)展到5Gb及5Gb以上，但在較長(zhǎng)的距離上，10Gb的速度則達(dá)到了銅線傳輸?shù)臉O限。
 
　　不過(guò)，永遠(yuǎn)不要低估市場(chǎng)延長(zhǎng)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(cè)網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)是針對(duì)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(lái)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(lái)被擴(kuò)展到1Gb，最新的嘗試則是找出一種成本經(jīng)濟(jì)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(kuò)展銅線Ethernet容量的最新努力是否會(huì)成功。10Gbase－T的實(shí)現(xiàn)將需要一種優(yōu)于常見(jiàn)的Cat5電纜的電纜。
 
　　數(shù)據(jù)率達(dá)10G的芯片間解決方案很有可能來(lái)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(hào)處理，走線長(zhǎng)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(lái)的負(fù)擔(dān)。
 
　　銅線的主要優(yōu)勢(shì)在于，它是現(xiàn)成的（見(jiàn)現(xiàn)有的電纜連接和FR4 PCB基礎(chǔ)架構(gòu)），而且它的運(yùn)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(wú)法與銅線相比。光纖電纜的問(wèn)題是使用時(shí)的成本和復(fù)雜性。光纖的成本從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看不是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楣饫w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(dòng)器。
 
　　雖然LED 可以與多模光纖一起使用，而且價(jià)格并不十分昂貴，但大多數(shù)的應(yīng)用則針對(duì)激光和單模光纖的使用，因?yàn)樗鼈兊膫鬏斁嚯x更遠(yuǎn)。采用激光后，通信范圍得到了擴(kuò)展，通過(guò)使用多種波長(zhǎng)來(lái)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(chēng)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(jìn)到太位（1012bit）級(jí)帶寬。
 
電子無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間阻擋光子的腳步
 
　　戰(zhàn)爭(zhēng)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(cè)出——光子最終會(huì)贏得這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)。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(shí)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(huì)像電子元件那么便宜，或者不會(huì)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(kāi)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(chǎng)合：高帶寬、抗干擾、遠(yuǎn)距離傳輸。一旦價(jià)格和制造問(wèn)題可以讓光電子的成本進(jìn)一步削減的話(huà)，我們就會(huì)看到數(shù)據(jù)中心將添加更多的電纜——首先用于機(jī)架間的連接，然后用于電路板間的連接，最終會(huì)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(kāi)發(fā)出印刷電路板上的光路由的大批量制造技術(shù)。
 
　　來(lái)源于Luxtera技術(shù)的首批測(cè)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(gè)生產(chǎn)型的部件將于06年二季度開(kāi)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(wèn)http://www.xfpmsa.org/。）XFP模塊還需要一個(gè)10Gb差分電氣連接來(lái)實(shí)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(bào)價(jià)將定在一個(gè)出奇的價(jià)位上，以證明Luxtera實(shí)現(xiàn)方案在成本上的優(yōu)勢(shì)。該公司在這些模塊之外還有什么計(jì)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(jí)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(duì)Luxtera而言，而且一般來(lái)說(shuō)對(duì)整個(gè)光電子技術(shù)而言，未來(lái)確實(shí)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(jìn)展，而且我們希望將來(lái)能報(bào)道更多的細(xì)節(jié)。我們還預(yù)計(jì)多家公司將繼續(xù)把銅技術(shù)擴(kuò)展到至少10G的水平，但其傳輸距離仍會(huì)受限。