【導(dǎo)讀】硅光學(xué)芯片可將一個(gè)硅光集成芯片塞到了與CPU相同的封裝尺寸中，這無(wú)疑將硅光子技術(shù)提升到了更高的層次，這一消息令行業(yè)再次沸騰，為什么這些“技術(shù)者們”會(huì)這么興奮？硅光子真的可以為人類(lèi)打開(kāi)一扇通往新世界的大門(mén)？
近日，IBM宣布已成功研制出實(shí)用化的硅光學(xué)芯片，這項(xiàng)已有二十年發(fā)展歷史的技術(shù)讓人看到了應(yīng)用的希望。據(jù)稱(chēng)，他們已將一個(gè)硅光集成芯片塞到了與CPU相同的封裝尺寸中，這無(wú)疑將硅光子技術(shù)提升到了更高的層次，專(zhuān)家預(yù)計(jì)在半導(dǎo)體工藝達(dá)到物理極限，革命性的新計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)之前，硅光學(xué)技術(shù)將負(fù)責(zé)填補(bǔ)空缺。
歷史：光學(xué)透鏡思路一度限制發(fā)展
IBM的這一消息令行業(yè)再次沸騰，為什么這些“技術(shù)者們”會(huì)這么興奮？硅光子真的可以為人類(lèi)打開(kāi)一扇通往新世界的大門(mén)？
早在上世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開(kāi)始為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者。光子計(jì)算、量子計(jì)算、生物計(jì)算、超導(dǎo)計(jì)算等概念一時(shí)間炙手可熱，它們的目標(biāo)都是在硅芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。
其中光子計(jì)算一度被認(rèn)為是最有希望的未來(lái)技術(shù)。與半導(dǎo)體芯片相比，光芯片用超微透鏡取代晶體管、以光信號(hào)代替電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。光芯片無(wú)需改變二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的軟件原理，但可以輕易實(shí)現(xiàn)極高的運(yùn)算頻率，同時(shí)能耗非常低，不需要復(fù)雜的散熱裝置。與電腦對(duì)應(yīng)，設(shè)想中的光學(xué)計(jì)算機(jī)被稱(chēng)作“光腦”。早年甚至有人預(yù)言2015年光腦就會(huì)開(kāi)始取代硅芯片。
但是現(xiàn)實(shí)并不盡如人意，科學(xué)家和工程師很快就發(fā)現(xiàn)制造納米級(jí)的光學(xué)透鏡是如此困難，想在小小芯片上集成數(shù)十億的透鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類(lèi)現(xiàn)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(xiàn)用光通路取代電路來(lái)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(hào)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(shù)據(jù)通道的難度不算太高，不像光子計(jì)算那樣近乎幻想。于是從21世紀(jì)初開(kāi)始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)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。
原理：芯片集成光電轉(zhuǎn)換和傳輸模塊
以激光代替電路傳遞數(shù)據(jù)的技術(shù)對(duì)普通人來(lái)說(shuō)并不陌生，音頻設(shè)備常見(jiàn)的光纖數(shù)字接口就是一個(gè)典型例子。如今城市新建寬帶網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普遍使用光纖取代了銅纜，大大提升了網(wǎng)絡(luò)的接入帶寬。光信號(hào)技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)，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(jí)的信號(hào)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(hào)交換成為可能。使用該技術(shù)的芯片中，電流從計(jì)算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
把復(fù)雜的光電轉(zhuǎn)換模塊縮小到納米尺寸，同時(shí)還要能用半導(dǎo)體工藝制造不是容易的事情。雖然實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)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(dá)到很高的水平，也降低了業(yè)界對(duì)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(lái)越困難。同時(shí)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)卻對(duì)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(jí)計(jì)算機(jī)通常會(huì)安裝數(shù)以千計(jì)的高性能處理器，可這些芯片的協(xié)同運(yùn)算能力卻受到芯片互聯(lián)帶寬的嚴(yán)重制約。
例如一顆Xeon CPU從與自己直接連接的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)的帶寬高達(dá)每秒40G字節(jié)，但如果是從另一顆Xeon芯片控制的內(nèi)存中讀入資料，帶寬就會(huì)下降一半甚至三分之二。單顆芯片的性能越強(qiáng)、互聯(lián)的芯片數(shù)量越多，較低的互聯(lián)帶寬就越容易成為性能提升的障礙。銅電路不僅帶寬提升困難，功耗和發(fā)熱也不可小視，業(yè)界對(duì)硅光學(xué)技術(shù)的需求已經(jīng)到了迫在眉睫的程度。
未來(lái)：聽(tīng)得見(jiàn)的腳步聲
去年，硅光子器件公司Kotura宣布其Optical Engine可以通過(guò)使用波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)100Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，允許不同波長(zhǎng)的多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)共享相同光學(xué)通路。此類(lèi)設(shè)備適用于數(shù)據(jù)中心與高性能計(jì)算應(yīng)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。
2010年，IBM在日本東京發(fā)布了其在芯片技術(shù)領(lǐng)域的最新突破——CMOS集成硅納米光子學(xué)技術(shù)，該芯片技術(shù)可將電子和光子納米器件集成在一塊硅芯片上，使計(jì)算機(jī)芯片之間通過(guò)光脈沖進(jìn)行通訊?？茖W(xué)家有望據(jù)此研制出比傳統(tǒng)芯片更小、更快、能耗更低的芯片，為億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的研發(fā)開(kāi)辟道路。
2013年9月，Intel、康寧宣布共同研發(fā)了新的光纖傳輸技術(shù)，300米之內(nèi)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(shù)，并搭配Intel MXC光學(xué)接口，未來(lái)可以支持Intel硅光子技術(shù)產(chǎn)品。
2013年11月富士通宣布，通過(guò)與Intel的大力合作，成功打造并展示了全球第一臺(tái)基于Intel OPCIe(光學(xué)PCI-E)的服務(wù)器，而其中的核心技術(shù)就是Intel苦心研發(fā)多年的硅光子。
2014年12月，華為與納米研究中心——比利時(shí)的微電子研究中心聯(lián)合宣布，聚焦于光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)，其戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系再進(jìn)一步。這對(duì)于硅基光學(xué)互連的聯(lián)合研究有望帶來(lái)諸多益處，包括高速、低功耗和成本節(jié)省。
這些行業(yè)巨頭都在瞄準(zhǔn)硅光子市場(chǎng)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)硅光子技術(shù)。強(qiáng)大的背景支持，結(jié)合夯實(shí)的歷史基礎(chǔ)，硅光子技術(shù)戴著閃耀的光環(huán)重出江湖。
硅光學(xué)技術(shù)很快就會(huì)在數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域普及。不過(guò)在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)業(yè)這項(xiàng)技術(shù)很難有用武之地：智能設(shè)備和PC本來(lái)就沒(méi)那么多芯片，自然也用不上高大上的芯片間光信號(hào)傳輸。新技術(shù)將更多以間接的形式影響我們的生活：未來(lái)云計(jì)算平臺(tái)的性能快速增長(zhǎng)可以為普通用戶(hù)提供更快更好的信息服務(wù)，背后的功臣之一就是硅光學(xué)技術(shù)。在半導(dǎo)體工藝達(dá)到物理極限，革命性的新計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)之前，硅光學(xué)技術(shù)將負(fù)責(zé)填補(bǔ)空缺。
在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的努力下，一個(gè)個(gè)問(wèn)題正在被突破，業(yè)界對(duì)硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心，有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)廣泛應(yīng)用需要7—10年的時(shí)間。
