下一代技術(shù)發(fā)展方向——硅光子解讀

　　隨著(zhù)近日IBM宣布已成功研制出實(shí)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功耗的同時(shí)提升帶寬，采用激光束代替電子信號傳輸數據，將光學(xué)與電子元件組合至一個(gè)獨立的微芯片中以提升路由器和交換機線(xiàn)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(lái)作為信息傳導介質(zhì)，因此能夠取得比傳統銅導線(xiàn)更優(yōu)異的數據傳輸性能、同時(shí)將能量消耗降低到令人難以置信的級別。近日，IBM宣稱(chēng)已將這一技術(shù)提升到了更高的層次，并且將一個(gè)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，硅光子當真能為人類(lèi)打開(kāi)一扇通往新世界的大門(mén)?

　　細說(shuō)硅光子的發(fā)展史詩(shī)

　　早在上世紀九十年代，IT從業(yè)者就開(kāi)始為半導體芯片產(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(lái)技術(shù)。但是現實(shí)總是殘酷的?？茖W(xué)家和工程師很快就發(fā)現制造納米級的光學(xué)透鏡是如此困難，想在小小的芯片上集成數十億的透鏡遠遠超出了人類(lèi)現有的技術(shù)水平。

　　好在科研單位并未放棄將光線(xiàn)引入芯片世界的努力。很快人們發(fā)現用光通路取代電路來(lái)在硅芯片之間傳輸數據是很有潛力的應用方向：光信號在傳輸過(guò)程中很少衰減，幾乎不產(chǎn)生熱量，同時(shí)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)數據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世紀初開(kāi)始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構就開(kāi)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據電路。

　　光信號技術(shù)有很多優(yōu)勢，但傳統光學(xué)數據設備的體積龐大，難以應用在芯片級的信號網(wǎng)絡(luò )中。硅光學(xué)技術(shù)的目標就是在芯片上集成光電轉換和傳輸模塊，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，到轉換模塊通過(guò)光電效應轉換為光信號發(fā)射到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊芯片后再轉換為電信號。

　　把復雜的光電轉換模塊縮小到納米尺寸，同時(shí)還要能用半導體工藝制造不是容易的事情。雖然實(shí)驗室中早有成果，但成品的良率和成本一直難以令人滿(mǎn)意。另一方面，2004年后串行數據電路技術(shù)飛速發(fā)展，PCIe、QPI、HyperTransport等總線(xiàn)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)現傳統的銅電路已經(jīng)接近物理瓶頸，繼續提高帶寬變得越來(lái)越困難。同時(shí)云計算產(chǎn)業(yè)卻對芯片間數據交換能力提出了更高的要求：數據中心、超級計算機通常會(huì )安裝數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)帶寬的嚴重制約。

　　短期內，硅光子芯片將被部署在高速信號傳輸系統中，它將遠遠超過(guò)銅制線(xiàn)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(guò)使用波分復用實(shí)現100Gbps的數據傳輸速率，允許不同波長(cháng)的多個(gè)數據信號共享相同光學(xué)通路。此類(lèi)設備適用于數據中心與高性能計算應用程序，解決基于銅線(xiàn)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )性能不足問(wèn)題。此外，IBM、Intel與NEC等芯片廠(chǎng)商巨頭也正在開(kāi)發(fā)硅光子器件。一時(shí)之間，硅光子被廣泛重視。