自1958年集成電路問世之后,，基于硅材料的CMOS集成電路已經(jīng)在計算、通信,、生物醫(yī)療、數(shù)字娛樂,、智能家居等各行業(yè)發(fā)揮著不可或缺的作用,，是現(xiàn)代社會的信息化“大腦”。而以光為信息載體的光纖通信網(wǎng)絡也承載了全球通信數(shù)據(jù)容量的90%以上,，成為信息社會的“主動脈”,。如今，硅光子學開始走進光纖通信行業(yè),，正在影響光纖通信產(chǎn)業(yè)的走向,，改變信息技術的未來。
硅光子技術,，即利用CMOS微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備,，該技術結合了CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術超高速率,、超低功耗的優(yōu)勢,。硅材料不僅是集成電路最普及的材料平臺，還具備優(yōu)異的光學性能,。硅波導對波長1.1～1.6um的光近乎無損透明,，可較為理想地兼容光通信現(xiàn)有技術與器件，為厘米至千公里級的光通信提供了高集成度的解決方案,。業(yè)界認為硅光子是當今ASIC中最具發(fā)展前途的技術領域,，是一種能夠解決長技術演進與成本矛盾的顛覆性技術,。
近十年來，基于硅光平臺的光調(diào)制器,、光探測器,、光開關和異質(zhì)激光器被相繼被驗證，部分器件性能甚至超越傳統(tǒng)III-V和PLC平臺,，為大規(guī)模光子集成奠定了基礎,。隨后，在業(yè)界多家微電子與光通信知名企業(yè)的共同推動下,，硅基光互連,、光傳輸、光交換的商用化器件與方案被相繼推出,。接下來OFweek光通信網(wǎng)編輯為您盤點硅光子技術的最新進展情況：
1,、愛立信牽頭項目研制出硅光子交換機
日前，由愛立信牽頭的IRIS項目已研制出硅光子交換機,，在一塊芯片上容納成千上萬的電路,。
第一塊芯片現(xiàn)處于測試和參數(shù)化階段，如取得成功,，將是業(yè)界的重大突破,，為在單個芯片上集成新一代光纖系統(tǒng)鋪平道路。
硅光子技術中,，硅作為超高速傳送和交換數(shù)據(jù)的微型光學介質(zhì),，可減少功耗和空間占用，并增加容量,， 從而降低運營成本,。
作為歐盟第七框架計劃（FP7）研發(fā)領域的具體目標研究項目（STREP）之一，IRIS項目由愛立信與歐洲委員會聯(lián)合創(chuàng)建,，旨在利用硅光子技術,，創(chuàng)建高容量和可重構WDM光交換機，實現(xiàn)在單個芯片上整體集成電路,。
該類芯片可通過集成大量功能,，如高速傳輸、交換,、以及在同一芯片實現(xiàn)互聯(lián)互通等,，幫助網(wǎng)絡運營商提升網(wǎng)絡性能，增加節(jié)點容量,，滿足未來5G網(wǎng)絡和云計算的需求,。
硅光子技術已經(jīng)應用于屢獲殊榮的愛立信超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)HDS 8000，借助光學互連，HDS 8000可為數(shù)據(jù)中心運營商帶來許多裨益,，例如降低總擁有成本,。
愛立信意大利比薩公司的研究人員已經(jīng)制作并提交了所有相關專利的申請。
該項目由愛立信（意大利）牽頭,，其他成員包括意法半導體（意大利）,、 法國原子能署電子暨資訊技術實驗室（法國）、CNIT（意大利）,、特倫托大學（意大利）,、瓦倫西亞理工大學（西班牙）、維也納工業(yè)大學（奧地利）和電子通信研究院（韓國）,。
2,、IBM硅光子2秒傳完整張藍光
借助一種稱之為“硅光子”的技術，來自IBM研究院的工程師們有望解決困擾計算機行業(yè)多年的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題,。
光纖具備超高速數(shù)據(jù)傳輸能力,。這一材料能夠?qū)⒐韫庾优c傳統(tǒng)芯片技術聯(lián)系起來。在數(shù)據(jù)傳輸方面,，光纖較銅纜而言無論在速度上還是距離上都具有極大優(yōu)勢,，但由于成本高昂，只有在需要跨越不同建筑物,、城市或大陸的場合才會采用,。
通過一種稱之為“多路復用”的技術，IBM的研究員演示了如何使芯片通過單根光纖收發(fā)4種不同顏色的紅外光信號,。
目前,，單一鏈路的傳輸速率為每秒25Gb，4路一起最高為100Gbps,。在這一速度下，一張藍光碟片中容量為25GB的電影只需兩秒即可傳輸完畢,。
來自IBM研究院的一位高管表示,，大數(shù)據(jù)和云端服務的日益普及對計算能力產(chǎn)生了極大的需求，而硅光子技術的大規(guī)模商用將會使得半導體行業(yè)能夠滿足這一需求,。
IBM研究院硅光子部門經(jīng)理威爾·格林（Will Green）表示,，采用四路復用技術能夠?qū)?shù)據(jù)中心的光纖成本降低50%。
3,、美開發(fā)出迄今最小分光器
美國猶他大學的工程師在研制比現(xiàn)有機器快數(shù)百萬倍的下一代計算機和移動設備方面邁進了一大步：他們開發(fā)出了迄今最小的超緊湊型分光器,，可將光波劃分為兩個獨立的信息通道。這個新裝置使制造利用光而非電子來計算和傳輸數(shù)據(jù)的硅光子芯片更接近現(xiàn)實,。
“光是你可以用來傳遞信息的最快的事物,，”猶他大學電氣和計算機工程副教授拉杰什·梅農(nóng)說，“但這些信息必須被轉(zhuǎn)換為電子才能進入你的筆記本電腦。而這種轉(zhuǎn)換會讓速度變慢,?！?/p>
互聯(lián)網(wǎng)依靠光子攜帶信息通過光纖網(wǎng)絡，一旦一個數(shù)據(jù)流抵達家庭或辦公室終端,，光子必須先轉(zhuǎn)換為電子,，路由器或計算機才能夠處理信息。如果數(shù)據(jù)流在計算機的處理器內(nèi)保持光的形態(tài),，就可能消除這個瓶頸,。梅農(nóng)說：“我們的愿景是用光來完成這一切。計算速度最終可提高數(shù)百萬倍,?！?/p>
為此，研究人員在硅芯片上創(chuàng)建了一個更小型的,、看起來有點像條形碼的極化分光器,，可將引導入射光拆分為二。之前的這種分光器大小超過了100×100微米,，而梅農(nóng)的團隊采用了新算法來設計分光器,，使其尺寸縮小到2.4×2.4微米，相當于人類發(fā)絲寬度的五十分之一,，已經(jīng)接近物理尺度的極限,，這使得單一芯片上集成的分光器數(shù)量有望達到數(shù)百萬個。
新型分光器的潛在優(yōu)勢并不止于提高計算機的處理速度,。其設計使用的是現(xiàn)有的制造硅芯片的工藝,，因此生產(chǎn)成本更低。此外,，由于光子芯片“運送”的是光子而不是電子,，內(nèi)置這種技術的移動設備，如智能手機或者平板電腦,，將比現(xiàn)在能耗更低,、電池壽命更長、產(chǎn)生的熱量更少,。
硅光子學可顯著提高機器的能力和速度,，比如用于超級計算機、數(shù)據(jù)中心的服務器以及無人駕駛汽車和無人機專用的可檢測碰撞的計算機,，并最終“走向”家用電腦和移動設備,，改善從游戲到視頻流等應用程序。目前英特爾和IBM等公司均在著力研發(fā)首個硅光子學超級計算機,，但其仍將使用保持部分電子學的混合處理器,。梅農(nóng)認為,，他的分光器有望在三年內(nèi)應用于這些計算機，而對連接速度要求更高的數(shù)據(jù)中心也可能很快采用這項技術,。
4,、Intel富士通攜手：硅光子服務器誕生
富士通通過與Intel的大力合作，已經(jīng)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(fā)多年的硅光子(Silicon Photonics),。
富士通使用了兩臺標準的Primergy RX200服務器，各自增加一個Intel硅光子模塊,，以及一顆Intel專門設計的FPGA芯片,。后者負責必要的信號調(diào)制工作，通過MXC連接器將PCI-E協(xié)議以光信號的形式傳輸?shù)綌U展盒中,。
擴展盒里同樣有硅光子模塊,、FPGA芯片負責接收工作，還有兩個Xeon Phi協(xié)處理器和兩塊固態(tài)硬盤,。
這種設計的美妙之處在于,，協(xié)處理器和固態(tài)硬盤在RX200服務器看來就如同在內(nèi)部主板上，而不是外接設備,?？紤]到光速高達30萬千米每秒，而幾米長數(shù)據(jù)線上的傳輸延遲也可以忽略不計(每米5納秒),，這就帶來了四個好處：
1,、隨意擴充服務器的存儲容量。固態(tài)硬盤,、機械硬盤隨便選,，唯一的閑置就是擴展盒的體積。
2,、增強CPU計算能力,。外部的Xeon Phi協(xié)處理器搭配內(nèi)部的Xeon E5處理器，計算能力可以輕松劇增,，而在標準1U機架內(nèi)幾乎不可能同時放入Xeon Phi,。
3、改善散熱,。服務器內(nèi)部散熱壓力大大減輕，可以降低運行溫度,，或者使用更高規(guī)格的硬件,。
4、提升散熱密度,。也就是每立方米空間內(nèi)所要排出的熱量,。
不過,，Intel、富士通均未披露會何時將這種服務器投入商用,。
Intel多年前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(shù)據(jù)連接，證明未來計算機可以使用光信號替代電信號進行數(shù)據(jù)傳輸,。
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(xiàn)了芯片間通信從電信號到光脈沖的進化,，不過Intel質(zhì)疑這種做法會存在效率問題，硅光子才是未來,。
簡單地說,，Intel更像是在現(xiàn)有硅半導體技術的基礎上增加光通信模塊，IBM則力圖一步到位直接整合CMOS,、光子,。
硅光子技術發(fā)展現(xiàn)狀
雖然光子計算的研究沉寂了，但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(shù)據(jù)電路。
以激光代替電路傳遞數(shù)據(jù)的技術對普通人來說并不陌生,，音頻設備常見的光纖數(shù)字接口就是一個典型例子,。如今城市新建寬帶網(wǎng)絡已經(jīng)普遍使用光纖取代了銅纜，大大提升了網(wǎng)絡的接入帶寬,。光信號技術有很多優(yōu)勢,，但傳統(tǒng)光學數(shù)據(jù)設備的體積龐大，難以應用在芯片級的信號網(wǎng)絡中,。硅光學技術的目標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轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電信號,。
把復雜的光電轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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,。
直到兩年前,，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，帶寬就會下降一半甚至三分之二,。單顆芯片的性能越強,、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)界對硅光學技術的需求已經(jīng)到了迫在眉睫的程度,。
幸運的是,，經(jīng)過十余年的研究硅光子工藝終于到了大規(guī)模實用化的程度。Intel和IBM的相關技術現(xiàn)在離產(chǎn)業(yè)化只有一步之遙,。硅光學技術不僅能大幅提高芯片互聯(lián)帶寬,，還遠比傳統(tǒng)的銅電路節(jié)省能源和散熱需求，對云計算產(chǎn)業(yè)意義重大,。雖然在商業(yè)化初期使用該技術的芯片成本會很高昂,，但習慣了售價數(shù)千乃至數(shù)萬美元的處理器的客戶并不會在意每塊處理器幾百美元的成本提升。芯片間信號通路改用光路后,，大量芯片的聯(lián)合計算性能會成倍增長,，同時總體能耗明顯下降，大大提高了服務器集群的效率,。
未來前景
在Intel和IBM兩大巨頭的推動下,，硅光學技術很快就會在數(shù)據(jù)中心、超級計算機領域普及,。不過在消費級產(chǎn)業(yè)這項技術很難有用武之地：智能設備和PC本來就沒那么多芯片,，自然也用不上高大上的芯片間光信號傳輸。新技術將更多以間接的形式影響我們的生活：未來云計算平臺的性能快速增長可以為普通用戶提供更快更好的信息服務,，背后的功臣之一就是硅光學技術,。在半導體工藝達到物理極限，革命性的新計算機尚未出現(xiàn)之前,，硅光學技術將負責填補空缺,，盡可能延續(xù)摩爾定律。