自1958年集成電路問(wèn)世之后,，基于硅材料的CMOS集成電路已經(jīng)在計(jì)算,、通信,、生物醫(yī)療,、數(shù)字娛樂(lè)、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(huì)的信息化“大腦”,。而以光為信息載體的光纖通信網(wǎng)絡(luò)也承載了全球通信數(shù)據(jù)容量的90%以上，成為信息社會(huì)的“主動(dòng)脈”,。如今,，硅光子學(xué)開(kāi)始走進(jìn)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(shù)的未來(lái),。
硅光子技術(shù)，即利用CMOS微電子工藝實(shí)現(xiàn)光子器件的集成制備,，該技術(shù)結(jié)合了CMOS技術(shù)的超大規(guī)模邏輯,、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì),。硅材料不僅是集成電路最普及的材料平臺(tái),，還具備優(yōu)異的光學(xué)性能。硅波導(dǎo)對(duì)波長(zhǎng)1.1～1.6um的光近乎無(wú)損透明,，可較為理想地兼容光通信現(xiàn)有技術(shù)與器件,，為厘米至千公里級(jí)的光通信提供了高集成度的解決方案。業(yè)界認(rèn)為硅光子是當(dāng)今ASIC中最具發(fā)展前途的技術(shù)領(lǐng)域,，是一種能夠解決長(zhǎng)技術(shù)演進(jìn)與成本矛盾的顛覆性技術(shù),。
近十年來(lái)，基于硅光平臺(tái)的光調(diào)制器,、光探測(cè)器、光開(kāi)關(guān)和異質(zhì)激光器被相繼被驗(yàn)證,，部分器件性能甚至超越傳統(tǒng)III-V和PLC平臺(tái),，為大規(guī)模光子集成奠定了基礎(chǔ)。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(dòng)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(lái)OFweek光通信網(wǎng)編輯為您盤(pán)點(diǎn)硅光子技術(shù)的最新進(jìn)展情況：
1,、愛(ài)立信牽頭項(xiàng)目研制出硅光子交換機(jī)
日前，由愛(ài)立信牽頭的IRIS項(xiàng)目已研制出硅光子交換機(jī),，在一塊芯片上容納成千上萬(wàn)的電路,。
第一塊芯片現(xiàn)處于測(cè)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(gè)芯片上集成新一代光纖系統(tǒng)鋪平道路。
硅光子技術(shù)中,，硅作為超高速傳送和交換數(shù)據(jù)的微型光學(xué)介質(zhì),，可減少功耗和空間占用，并增加容量,， 從而降低運(yùn)營(yíng)成本,。
作為歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）研發(fā)領(lǐng)域的具體目標(biāo)研究項(xiàng)目（STREP）之一，IRIS項(xiàng)目由愛(ài)立信與歐洲委員會(huì)聯(lián)合創(chuàng)建,，旨在利用硅光子技術(shù),，創(chuàng)建高容量和可重構(gòu)WDM光交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)在單個(gè)芯片上整體集成電路,。
該類(lèi)芯片可通過(guò)集成大量功能,，如高速傳輸、交換,、以及在同一芯片實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通等,，幫助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提升網(wǎng)絡(luò)性能，增加節(jié)點(diǎn)容量,，滿足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算的需求,。
硅光子技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于屢獲殊榮的愛(ài)立信超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)HDS 8000，借助光學(xué)互連,，HDS 8000可為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)許多裨益,，例如降低總擁有成本。
愛(ài)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(guān)專利的申請(qǐng),。
該項(xiàng)目由愛(ài)立信（意大利）牽頭,，其他成員包括意法半導(dǎo)體（意大利）、 法國(guó)原子能署電子暨資訊技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（法國(guó)）,、CNIT（意大利）,、特倫托大學(xué)（意大利）、瓦倫西亞理工大學(xué)（西班牙）,、維也納工業(yè)大學(xué)（奧地利）和電子通信研究院（韓國(guó)）,。
2,、IBM硅光子2秒傳完整張藍(lán)光
借助一種稱之為“硅光子”的技術(shù)，來(lái)自IBM研究院的工程師們有望解決困擾計(jì)算機(jī)行業(yè)多年的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問(wèn)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(shù)聯(lián)系起來(lái)。在數(shù)據(jù)傳輸方面,，光纖較銅纜而言無(wú)論在速度上還是距離上都具有極大優(yōu)勢(shì),，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(chǎng)合才會(huì)采用,。
通過(guò)一種稱之為“多路復(fù)用”的技術(shù)，IBM的研究員演示了如何使芯片通過(guò)單根光纖收發(fā)4種不同顏色的紅外光信號(hào),。
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(lán)光碟片中容量為25GB的電影只需兩秒即可傳輸完畢。
來(lái)自IBM研究院的一位高管表示,，大數(shù)據(jù)和云端服務(wù)的日益普及對(duì)計(jì)算能力產(chǎn)生了極大的需求,，而硅光子技術(shù)的大規(guī)模商用將會(huì)使得半導(dǎo)體行業(yè)能夠滿足這一需求。
IBM研究院硅光子部門(mén)經(jīng)理威爾·格林（Will Green）表示,，采用四路復(fù)用技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)中心的光纖成本降低50%,。
3、美開(kāi)發(fā)出迄今最小分光器
美國(guó)猶他大學(xué)的工程師在研制比現(xiàn)有機(jī)器快數(shù)百萬(wàn)倍的下一代計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備方面邁進(jìn)了一大步：他們開(kāi)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(gè)獨(dú)立的信息通道,。這個(gè)新裝置使制造利用光而非電子來(lái)計(jì)算和傳輸數(shù)據(jù)的硅光子芯片更接近現(xiàn)實(shí)。
“光是你可以用來(lái)傳遞信息的最快的事物,，”猶他大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授拉杰什·梅農(nóng)說(shuō),，“但這些信息必須被轉(zhuǎn)換為電子才能進(jìn)入你的筆記本電腦。而這種轉(zhuǎn)換會(huì)讓速度變慢,?！?/p>
互聯(lián)網(wǎng)依靠光子攜帶信息通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)，一旦一個(gè)數(shù)據(jù)流抵達(dá)家庭或辦公室終端,，光子必須先轉(zhuǎn)換為電子,，路由器或計(jì)算機(jī)才能夠處理信息。如果數(shù)據(jù)流在計(jì)算機(jī)的處理器內(nèi)保持光的形態(tài),，就可能消除這個(gè)瓶頸,。梅農(nóng)說(shuō)：“我們的愿景是用光來(lái)完成這一切。計(jì)算速度最終可提高數(shù)百萬(wàn)倍?！?/p>
為此，研究人員在硅芯片上創(chuàng)建了一個(gè)更小型的,、看起來(lái)有點(diǎn)像條形碼的極化分光器,，可將引導(dǎo)入射光拆分為二。之前的這種分光器大小超過(guò)了100×100微米,，而梅農(nóng)的團(tuán)隊(duì)采用了新算法來(lái)設(shè)計(jì)分光器,，使其尺寸縮小到2.4×2.4微米，相當(dāng)于人類(lèi)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(dá)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)。
新型分光器的潛在優(yōu)勢(shì)并不止于提高計(jì)算機(jī)的處理速度,。其設(shè)計(jì)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(yùn)送”的是光子而不是電子,，內(nèi)置這種技術(shù)的移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)或者平板電腦,，將比現(xiàn)在能耗更低,、電池壽命更長(zhǎng)、產(chǎn)生的熱量更少,。
硅光子學(xué)可顯著提高機(jī)器的能力和速度,，比如用于超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器以及無(wú)人駕駛汽車(chē)和無(wú)人機(jī)專用的可檢測(cè)碰撞的計(jì)算機(jī),，并最終“走向”家用電腦和移動(dòng)設(shè)備,，改善從游戲到視頻流等應(yīng)用程序。目前英特爾和IBM等公司均在著力研發(fā)首個(gè)硅光子學(xué)超級(jí)計(jì)算機(jī),，但其仍將使用保持部分電子學(xué)的混合處理器,。梅農(nóng)認(rèn)為，他的分光器有望在三年內(nèi)應(yīng)用于這些計(jì)算機(jī),，而對(duì)連接速度要求更高的數(shù)據(jù)中心也可能很快采用這項(xiàng)技術(shù),。
4、Intel富士通攜手：硅光子服務(wù)器誕生
富士通通過(guò)與Intel的大力合作,，已經(jīng)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(Silicon Photonics)。
富士通使用了兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的Primergy RX200服務(wù)器,，各自增加一個(gè)Intel硅光子模塊,，以及一顆Intel專門(mén)設(shè)計(jì)的FPGA芯片。后者負(fù)責(zé)必要的信號(hào)調(diào)制工作，通過(guò)MXC連接器將PCI-E協(xié)議以光信號(hào)的形式傳輸?shù)綌U(kuò)展盒中,。
擴(kuò)展盒里同樣有硅光子模塊,、FPGA芯片負(fù)責(zé)接收工作，還有兩個(gè)Xeon Phi協(xié)處理器和兩塊固態(tài)硬盤(pán),。
這種設(shè)計(jì)的美妙之處在于,，協(xié)處理器和固態(tài)硬盤(pán)在RX200服務(wù)器看來(lái)就如同在內(nèi)部主板上，而不是外接設(shè)備,?？紤]到光速高達(dá)30萬(wàn)千米每秒，而幾米長(zhǎng)數(shù)據(jù)線上的傳輸延遲也可以忽略不計(jì)(每米5納秒),，這就帶來(lái)了四個(gè)好處：
1,、隨意擴(kuò)充服務(wù)器的存儲(chǔ)容量。固態(tài)硬盤(pán),、機(jī)械硬盤(pán)隨便選,，唯一的閑置就是擴(kuò)展盒的體積。
2,、增強(qiáng)CPU計(jì)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(jì)算能力可以輕松劇增,，而在標(biāo)準(zhǔn)1U機(jī)架內(nèi)幾乎不可能同時(shí)放入Xeon Phi,。
3、改善散熱,。服務(wù)器內(nèi)部散熱壓力大大減輕,，可以降低運(yùn)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(guò),，Intel、富士通均未披露會(huì)何時(shí)將這種服務(wù)器投入商用,。
Intel多年前就在硅光子技術(shù)上取得了重大突破,，建立起全球首個(gè)集成激光器的端到端硅基光數(shù)據(jù)連接，證明未來(lái)計(jì)算機(jī)可以使用光信號(hào)替代電信號(hào)進(jìn)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(shù),，通過(guò)將電子、光學(xué)設(shè)備融合在同一塊硅片上,，實(shí)現(xiàn)了芯片間通信從電信號(hào)到光脈沖的進(jìn)化,，不過(guò)Intel質(zhì)疑這種做法會(huì)存在效率問(wèn)題，硅光子才是未來(lái)。
簡(jiǎn)單地說(shuō),，Intel更像是在現(xiàn)有硅半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)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(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
雖然光子計(jì)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(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。
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(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,。
幸運(yùn)的是,，經(jīng)過(guò)十余年的研究硅光子工藝終于到了大規(guī)模實(shí)用化的程度。Intel和IBM的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)在離產(chǎn)業(yè)化只有一步之遙,。硅光學(xué)技術(shù)不僅能大幅提高芯片互聯(lián)帶寬,，還遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的銅電路節(jié)省能源和散熱需求，對(duì)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)意義重大,。雖然在商業(yè)化初期使用該技術(shù)的芯片成本會(huì)很高昂,，但習(xí)慣了售價(jià)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)美元的處理器的客戶并不會(huì)在意每塊處理器幾百美元的成本提升。芯片間信號(hào)通路改用光路后,，大量芯片的聯(lián)合計(jì)算性能會(huì)成倍增長(zhǎng),，同時(shí)總體能耗明顯下降，大大提高了服務(wù)器集群的效率,。
未來(lái)前景
在Intel和IBM兩大巨頭的推動(dòng)下,，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,，盡可能延續(xù)摩爾定律。