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)展歷史的技術讓人看到了應用的希望。據(jù)稱，他們已將一個硅光集成芯片塞到了與CPU相同的封裝尺寸中，這無疑將硅光子技術提升到了更高的層次，專家預計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。

 

IBM的這一消息令行業(yè)再次沸騰，為什么這些“技術者們”會這么興奮？硅光子真的可以為人類打開一扇通往新世界的大門？

 

早在上世紀90年代，IT從業(yè)者就開始為半導體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者。光子計算、量子計算、生物計算、超導計算等概念一時間炙手可熱，它們的目標都是在硅芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。

 

其中光子計算一度被認為是最有希望的未來技術。與半導體芯片相比，光芯片用超微透鏡取代晶體管、以光信號代替電信號進行運算。光芯片無需改變二進制計算機的軟件原理，但可以輕易實現(xiàn)極高的運算頻率，同時能耗非常低，不需要復雜的散熱裝置。與電腦對應，設想中的光學計算機被稱作“光腦”。早年甚至有人預言2015年光腦就會開始取代硅芯片。

 

但是現(xiàn)實并不盡如人意，科學家和工程師很快就發(fā)現(xiàn)制造納米級的光學透鏡是如此困難，想在小小芯片上集成數(shù)十億的透鏡遠遠超出了人類現(xiàn)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(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。

 

 

去年，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(xiàn)100Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，允許不同波長的多個數(shù)據(jù)信號共享相同光學通路。此類設備適用于數(shù)據(jù)中心與高性能計算應用程序，解決基于銅線的以太網(wǎng)網(wǎng)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。

 

2010年，IBM在日本東京發(fā)布了其在芯片技術領域的最新突破——CMOS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進行通訊?？茖W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，為億億次超級計算機的研發(fā)開辟道路。

 

2013年9月，Intel、康寧宣布共同研發(fā)了新的光纖傳輸技術，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，并搭配Intel MXC光學接口，未來可以支持Intel硅光子技術產(chǎn)品。

 

2013年11月富士通宣布，通過與Intel的大力合作，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。

 

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

 

這些行業(yè)巨頭都在瞄準硅光子市場，重點開發(fā)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(huán)重出江湖。

 

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。

 

在整個產(chǎn)業(yè)界的努力下，一個個問題正在被突破，業(yè)界對硅光子大規(guī)模商用也抱有極大的信心，有業(yè)內(nèi)人士預計廣泛應用需要7—10年的時間。