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)十億的透鏡遠遠超出了人類現(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，它將遠遠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。