下一代技术发展方向——硅光子解读

        随着近日IBM宣布已成功研制出实用化的硅光学芯片，这项已有二十年发展历史的技术重新泛起日出般的光芒。

　　令很多人兴奋不已的下一代技术之一就是硅光子技术，它在大幅度降低系统功耗的同时提升带宽，采用激光束代替电子信号传输数据，将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。用“芯片到芯片片”(chip-to-chip)的通讯方式，在硅片上用光来作为信息传导介质，因此能够取得比传统铜导线更优异的数据传输性能、同时将能量消耗降低到令人难以置信的级别。近日，IBM宣称已将这一技术提升到了更高的层次，并且将一个硅光集成芯片塞到了与CPU相同的封装尺寸中。这一消息令行业再次沸腾，硅光子当真能为人类打开一扇通往新世界的大门？

       细说硅光子的发展史诗

　　早在上世纪九十年代，IT从业者就开始为半导体芯片产业寻找继任者。其中光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。但是现实总是残酷的。科学家和工程师很快就发现制造纳米级的光学透镜是如此困难，想在小小的芯片上集成数十亿的透镜远远超出了人类现有的技术水平。

　　好在科研单位并未放弃将光线引入芯片世界的努力。很快人们发现用光通路取代电路来在硅芯片之间传输数据是很有潜力的应用方向：光信号在传输过程中很少衰减，几乎不产生热量，同时可以轻松获得恐怖的带宽;最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的难度不算太高，不像光子计算那样近乎幻想。于是从21世纪初开始，以Intel和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。

　　光信号技术有很多优势，但传统光学数据设备的体积庞大，难以应用在芯片级的信号网络中。硅光学技术的目标就是在芯片上集成光电转换和传输模块，使芯片间光信号交换成为可能。使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤，到另一块芯片后再转换为电信号。

　　把复杂的光电转换模块缩小到纳米尺寸，同时还要能用半导体工艺制造不是容易的事情。虽然实验室中早有成果，但成品的良率和成本一直难以令人满意。另一方面，2004年后串行数据电路技术飞速发展，PCIe、QPI、HyperTransport等总线技术提供的带宽达到很高的水平，也降低了业界对硅光学技术的潜在需求。

　　直到几年前，业界发现传统的铜电路已经接近物理瓶颈，继续提高带宽变得越来越困难。同时云计算产业却对芯片间数据交换能力提出了更高的要求：数据中心、超级计算机通常会安装数以千计的高性能处理器，可这些芯片的协同运算能力却受到芯片互联带宽的严重制约。

　　短期内，硅光子芯片将被部署在高速信号传输系统中，它将远远超过铜制线缆的能力。就在2014年，硅光子器件公司Kotura宣布其Optical Engine可以通过使用波分复用实现100Gbps的数据传输速率，允许不同波长的多个数据信号共享相同光学通路。此类设备适用于数据中心与高性能计算应用程序，解决基于铜线的以太网网络性能不足问题。此外，IBM、Intel与NEC等芯片厂商巨头也正在开发硅光子器件。一时之间，硅光子被广泛重视。

　　背景强大 硅光子重出江湖

　　早在2010年，Intel就在硅光子技术上取得了重大突破，建立起全球首个集成激光器的端到端硅基光数据连接，证明未来计算机可以使用光信号替代电信号进行数据传输。

　　2013年9月，Intel、康宁宣布共同研发了新的光纤传输技术，300米之内可以做到1.6Tb/s(200GB/s)的惊人速度，这种光纤采用了康宁的ClearCurve LX多模光纤技术，并搭配Intel MXC光学接口，未来可以支持Intel硅光子技术产品。

　　2013年11月富士通宣布，通过与Intel的大力合作，已成功打造并展示了全球第一台基于Intel OPCIe(光学PCI-E)的服务器，而其中的核心技术就是Intel苦心研发多年的硅光子。

　　另一位蓝色巨人IBM也没闲着。在 Intel建起全球首个集成激光器的端到端硅基光数据连接之后不久，IBM之后很快也披露了自己的“CMOS集成硅纳米光子”技术，通过将电子、光学设备融合在同一块硅片上，实现了芯片间通信从电信号到光脉冲的进化。

　　2010年，IBM在日本东京发布了其在芯片技术领域的最新突破——CMOS(互补金属氧化物半导体)集成硅纳米光子学技术，该芯片技术可将电子和光子纳米器件集成在一块硅芯片上，使计算机芯片之间通过光脉冲(而不是电子信号)进行通讯。科学家有望据此研制出比传统芯片更小、更快、能耗更低的芯片，为亿亿次超级计算机的研发开辟道路。这是IBM历时10年研发的CMOS集成硅纳米光子学技术，通过将光电器件集成在一块芯片上，增加芯片之间传输数据的速度和芯片的性能，突破了这一瓶颈。

　　近日，IBM宣称已将硅光子技术提升到了更高的层次，并且将一个硅光集成芯片塞到了与CPU相同的封装尺寸中。

　　2014年12月，华为与纳米研究中心——比利时的微电子研究中心(IMEC，Interuniversity Microelectronics Centre)联合宣布，聚焦于光学数据链路技术，其战略合作伙伴关系再进一步。这对于硅基光学互连的联合研究有望带来诸多益处，包括高速、低功耗和成本节省。

　　2013年，华为收购了领先的硅光子技术公司，拆分自IMEC和UGent的Caliopa，从而将硅光子研究纳入了其欧洲研发组合。为了兑现促进Caliopa发展的承诺，华为一直对其人力资源和基础设施进行投资，使之与自己的快速增长步调一致。

　　结 语

　　等等这些行业巨头都在瞄准硅光子市场，重点开发硅光子技术。强大的背景支持，结合夯实的历史基础，硅光子技术戴着闪耀的光环重出江湖。

　　随着技术的发展，硅光子可能投入更实际与广泛的应用，甚至能替代半导体晶体管等光学芯片，获得更高的计算性能。当然，硅光子目前还面临很多技术瓶颈，但在整个产业界的努力下，问题正在被突破，业界对硅光子大规模商用也抱有极大的信心，有业内人士预计广泛应用需要7-10年的时间。只要相信，就能做到!更多问题，留给时间去验证吧。