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          下一代技術發展方向——硅光子解讀
          發布時間: 2017.06.09

            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銅導線更優異的數據傳輸性能、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?

            下一代技術發展方向——硅光子解讀

            細說硅光子的發展史詩

            早在上世紀九十年代,IT從業者就開始為半導體芯片產業尋找繼任者。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??茖W家和工程師很快就發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為首的企業與學術機構就開始重點發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勢,但傳統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,也降低了業界對硅光學技術的潛在需求。

            直到幾年前,業界發現傳統的銅電路已經接近物理瓶頸,繼續提高帶寬變得越來越困難。同時云計算產業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硅光子器件。一時之間,硅光子被廣泛重視。

            背景強大 硅光子重出江湖

            早在2010年,Intel就在硅光子技術上取得了重大突破,建立起全球首個集成激光器的端到端硅基光數據連接,證明未來計算機可以使用光信號替代電信號進行數據傳輸。

            2013年9月,Intel、康寧宣布共同研發了新的光纖傳輸技術,300米之內可以做到1.6Tb/s(200GB/s)的驚人速度,這種光纖采用了康寧的ClearCurve LX多模光纖技術,并搭配Intel MXC光學接口,未來可以支持Intel硅光子技術產品。

            2013年11月富士通宣布,通過與Intel的大力合作,已成功打造并展示了全球第一臺基于Intel OPCIe(光學PCI-E)的服務器,而其中的核心技術就是Intel苦心研發多年的硅光子。

            另一位藍色巨人IBM也沒閑著。在 Intel建起全球首個集成激光器的端到端硅基光數據連接之后不久,IBM之后很快也披露了自己的“CMOS集成硅納米光子”技術,通過將電子、光學設備融合在同一塊硅片上,實現了芯片間通信從電信號到光脈沖的進化。

            2010年,IBM在日本東京發布了其在芯片技術領域的最新突破——CMOS(互補金屬氧化物半導體)集成硅納米光子學技術,該芯片技術可將電子和光子納米器件集成在一塊硅芯片上,使計算機芯片之間通過光脈沖(而不是電子信號)進行通訊??茖W家有望據此研制出比傳統芯片更小、更快、能耗更低的芯片,為億億次超級計算機的研發開辟道路。這是IBM歷時10年研發的CMOS集成硅納米光子學技術,通過將光電器件集成在一塊芯片上,增加芯片之間傳輸數據的速度和芯片的性能,突破了這一瓶頸。

            近日,IBM宣稱已將硅光子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。

            2014年12月,華為與納米研究中心——比利時的微電子研究中心(IMEC,Interuniversity Microelectronics Centre)聯合宣布,聚焦于光學數據鏈路技術,其戰略合作伙伴關系再進一步。這對于硅基光學互連的聯合研究有望帶來諸多益處,包括高速、低功耗和成本節省。

            2013年,華為收購了領先的硅光子技術公司,拆分自IMEC和UGent的Caliopa,從而將硅光子研究納入了其歐洲研發組合。為了兌現促進Caliopa發展的承諾,華為一直對其人力資源和基礎設施進行投資,使之與自己的快速增長步調一致。

            結 語

            等等這些行業巨頭都在瞄準硅光子市場,重點開發硅光子技術。強大的背景支持,結合夯實的歷史基礎,硅光子技術戴著閃耀的光環重出江湖。

            隨著技術的發展,硅光子可能投入更實際與廣泛的應用,甚至能替代半導體晶體管等光學芯片,獲得更高的計算性能。當然,硅光子目前還面臨很多技術瓶頸,但在整個產業界的努力下,問題正在被突破,業界對硅光子大規模商用也抱有極大的信心,有業內人士預計廣泛應用需要7-10年的時間。只要相信,就能做到!更多問題,留給時間去驗證吧。

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