下一代技術發(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芯片，這項已有二十年發(fā)展歷史的技術重新泛起日出般的光芒。

　　令很多人興奮不已的下一代技術之一就是硅光子技術，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據，將光學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介質，因此能夠取得比傳統(tǒng)銅導線更優(yōu)異的數據傳輸性能、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

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

　　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)現用光通路取代電路來在硅芯片之間傳輸數據是很有潛力的應用方向：光信號在傳輸過程中很少衰減，幾乎不產生熱量，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世紀初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學術機構就開始重點發(fā)展硅芯片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數據電路。

　　光信號技術有很多優(yōu)勢，但傳統(tǒng)光學數據設備的體積龐大，難以應用在芯片級的信號網絡中。硅光學技術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。使用該技術的芯片中，電流從計算核心流出，到轉換模塊通過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，同時還要能用半導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年后串行數據電路技術飛速發(fā)展，PCIe、QPI、HyperTransport等總線技術提供的帶寬達到很高的水平，也降低了業(yè)界對硅光學技術的潛在需求。

　　直到幾年前，業(yè)界發(fā)現傳統(tǒng)的銅電路已經接近物理瓶頸，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(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用實現100Gbps的數據傳輸速率，允許不同波長的多個數據信號共享相同光學通路。此類設備適用于數據中心與高性能計算應用程序，解決基于銅線的以太網網絡性能不足問題。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。