英特爾：光傳輸時代來臨 數(shù)據(jù)中心“嬗變”

前不久，英特爾宣布硅光子學(xué)的通信領(lǐng)域應(yīng)用取得里程碑式進展，證實未來電腦可用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù)。英特爾實驗室通過使用混合硅激光器技術(shù)的集成激光器，首次實現(xiàn)了基于硅光子的數(shù)據(jù)連接，實驗芯片可以每秒50Gbps的速度傳輸數(shù)據(jù)，相當于每秒可以傳送一部完整的高清電影?？梢灶A(yù)見，這將對電腦設(shè)計產(chǎn)生革命性影響，極大的提高電腦性能并節(jié)約能源，基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)，無論是對高性能計算機設(shè)計還是上網(wǎng)本設(shè)計，都會產(chǎn)生重大影響。未來數(shù)據(jù)中心企業(yè)可以消除性能瓶頸，用光纖代替電纜可大大節(jié)省空間和能源，大幅降低運營成本。

　　
硅光子技術(shù)——為通信帶來革命性變化

　　
在信息技術(shù)領(lǐng)域，計算和傳輸是非常重要的兩個方面，多核處理器技術(shù)的快速發(fā)展讓計算機的運算性能得到了極大的提升，而目前傳輸部分顯然拖了計算的后腿，在計算機系統(tǒng)中，長久以來使用電路來傳輸數(shù)據(jù)，但隨著處理器和相關(guān)部件運行頻率的提高，電路傳輸面臨的問題越來越嚴重。

　　
當前，計算機組件之間通過電路板的銅線或印痕來相互“溝通”。但使用銅等金屬傳輸數(shù)據(jù)時，信號會出現(xiàn)衰減，因此銅線的最大長度受到了限制，這就迫使處理器，存儲器等組件相互“依賴”，相隔不能太遠，因此限制了計算機結(jié)構(gòu)的設(shè)計。同時不同的電路之間會產(chǎn)生電磁干擾的現(xiàn)象，尤其是處理器制程的不斷提高，線路越來越近，干擾的情況也更加嚴重，小則影響信號的傳輸質(zhì)量，大則可能導(dǎo)致系統(tǒng)“停擺”，而且還會遇到電信號傳輸速度的極限問題。

　　
另外，目前CPU已經(jīng)全面轉(zhuǎn)向多核架構(gòu)，在內(nèi)核性能越來越強勁的今天，如果核與核之間的數(shù)據(jù)交換速度非常慢的話，也會嚴重影響到計算機的性能。因此在硅基半導(dǎo)體的發(fā)展接近極限的今天，硅光子技術(shù)在這些方面的獨特優(yōu)勢開始顯露出來。

　　
硅光子最快有多快？

　　
作為一項新興技術(shù)，硅光子技術(shù)利用標準硅實現(xiàn)計算機和其他電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接受。與晶體管主要依賴于普通硅材料不同，硅光子技術(shù)采用的基礎(chǔ)材料是玻璃，由于光對于玻璃來說是透明的，不會發(fā)生干擾的現(xiàn)象，因此理論上可以通過在玻璃中集成光波導(dǎo)通路來傳輸信號，這很適合于計算機內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。當然，硅光子技術(shù)最大的優(yōu)勢在于擁有相當高的傳輸速率，可是處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度比目前塊100倍甚至更高。

　　
比如英特爾在2008年成功研發(fā)了“雪崩硅基光電探測器”就實現(xiàn)了有史以來最高340Ghz的“增益帶寬積”。

　　
小提示：增益帶寬積是增益和寬帶的乘積，既代表了增益，也反映了帶寬，如果有很高的增益帶寬乘積的話，則預(yù)示著可以得到很高的增益，也可以得到很高的帶寬或速度。

　　
英特爾硅光子技術(shù)解析

　　
英特爾將硅光子技術(shù)定位于解決“芯片間信號問題”的劃時代對策，所謂的“芯片間信號問題”，就是指如何全額包層疊的晶圓之間或者各晶圓與內(nèi)存之間的布線帶寬。

　　
在硅光子技術(shù)的研發(fā)過程中，英特爾一直致力于與業(yè)界各頂級公司的研究機構(gòu)進行深度合作，比如早在2006年，英特爾和美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校就成功研發(fā)出了世界上首款采用標準硅工藝制造的電力混合硅激光器。但最讓人感到振奮的是2008年英特爾推出的“雪崩硅基光電探測器”它一舉將硅光子技術(shù)的增益帶寬積提升到了340Ghz，下面我們先簡單了解下英特爾硅光子技術(shù)系統(tǒng)的工作流程。

　　
激光傳輸系統(tǒng)一般包括兩個終端站和一個中繼站，由光纖作為線路，每個終端站都有一個光端機，其中發(fā)送設(shè)備的功能主要是產(chǎn)生激光，把電信號變換為光信號，即電/光轉(zhuǎn)換，接收設(shè)備主要是光檢測和放大，把光信號轉(zhuǎn)為電信號，即光/電轉(zhuǎn)換。中繼站則把接受的光信號變換為電信號，經(jīng)過判決再生處理，又把電信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)送出去。

　　
在英特爾的硅光電連接系統(tǒng)中，有硅發(fā)射模塊芯片兩大部分。發(fā)射器芯片包括四個激光器，通過他們發(fā)射的光束分別進入一個光調(diào)制器，進行編碼后這四條光束將被集中起來輸出到一條光纖內(nèi)，在連接系統(tǒng)的另一端，接收器芯片會對這四條光束進行分離，并導(dǎo)入到各光電探測器中，然后再把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號。在這里，光電探測器之所以能實現(xiàn)340Ghz增益帶寬積，是因為在原有的半導(dǎo)體中加入了“吸收層”。在英特爾的“雪崩硅基光電探測器”中分別有一個吸收區(qū)和一個倍增區(qū)，兩個區(qū)采用不同的材料，吸收區(qū)采用了鍺，而倍增區(qū)使用了硅。

　　
通過倍增電子數(shù)量來放大信號

　　
在倍增區(qū)施加電場，通過吸收層一個光子激發(fā)一個電子來到倍增區(qū)，在經(jīng)過系統(tǒng)列電離化后產(chǎn)生10倍~100倍的電子。雪崩探測器這個特別的結(jié)構(gòu)可以讓它在光信號接受這一過程，要么縮短傳輸距離N倍，要么節(jié)能N倍。對于未來的處理器來說，硅光電系列在傳輸?shù)男畔⒘坎蛔兊那闆r下可以節(jié)能數(shù)十倍或是上百倍，如果在同樣的功耗下則可以增加數(shù)十倍或上百倍的傳輸距離。指的一體的是，英特爾正在努力通過提高光調(diào)制器的編碼速度以及增加每塊芯片上激發(fā)起的數(shù)量，來讓數(shù)據(jù)的傳輸速度達到1Tbps，以便應(yīng)對未來的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，這會給數(shù)據(jù)中心和云計算中心的架構(gòu)帶來全新的改變。

　　
實用化還需要一段時間

　　
硅光子技術(shù)的重大突破有重大意義，這意味著高帶寬硅光電計算機設(shè)備的障礙之一被解決。不過，硅光子技術(shù)從實驗走向?qū)嵱眠€面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這里面還有一些問題需要解決，比如如何才能夠?qū)?A href="http://odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e7%a1%85%e5%85%89%e5%ad%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">硅光子傳輸技術(shù)移植到處理器內(nèi)部的核與核的鏈接上？這里涉及相當復(fù)雜的生產(chǎn)工藝及成本問題。大多數(shù)硅光子器件都采用砷化鎵和磷化銦之類的特殊半導(dǎo)體制造，成本過于高昂，封裝業(yè)十分復(fù)雜。事實上，大部分硅光子期間的尺寸并不是納米級，但是關(guān)鍵的制程工藝均是納米技術(shù)。

　　
例如，利用標準的CMOS生產(chǎn)線，廠商首先在絕緣體上的硅(SOI)晶圓上刻蝕硅光子器件，通過低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)將氧化物沉積在晶圓上，然后通過電子束曝光寫入波導(dǎo)和光纖耦合器硅錐的圖案。若制備光子晶體，則需要過度曝光，其目的是消除圖案寫入過程的臨近效應(yīng)。

　　
曝光后光蝕刻過程，分為三步：首先將光致抗蝕圖案轉(zhuǎn)移到硬的氧化物掩膜上，其次掩膜將條形波導(dǎo)和偶和區(qū)域保護起來防止被刻蝕，最后形成光纖耦合器的環(huán)氧聚合物。因此，硅光子技術(shù)要求器件制備工藝的精度控制在納米尺度，納米尺度是硅光子器件能夠正常工作的關(guān)鍵，否則器件的性能大打折扣，器件的表面通常需要磨平，表面粗糙度必須小于幾個納米。雖然目前光刻技術(shù)的精度可以達到納米量級，但這并不意味著芯片的大小是納米尺度。因此要讓硅光子技術(shù)實用化，生產(chǎn)工藝改進是一大難題。

　　
此外硅光子技術(shù)還要面對另一個最嚴峻的問題——損耗過大。目前光纖可以做到0.2dB/公里，硅光子由于依靠腐蝕硅材料的辦法做波導(dǎo)，目前典型的數(shù)據(jù)是0.2dB/厘米，信號衰減還比較大。不過未來一旦硅光子技術(shù)達到實用化程度，其高帶寬、高速率、低干擾的特性將給芯片間互聯(lián)、底板布線技術(shù)帶來革命性的變化，并將徹底改變目前計算機系統(tǒng)中通信速度和帶寬遠遠落后于處理器芯片計算速度的現(xiàn)狀，從而從系統(tǒng)層級上幫助延續(xù)摩爾定律。

　　
硅光子技術(shù)改變行業(yè)應(yīng)用

　　
硅光子技術(shù)的突破將從根本上改變未來計算機的架構(gòu)設(shè)計，未來的計算機內(nèi)部可采用萬億比特量級的光學(xué)數(shù)據(jù)通路，從根本上改變未來電腦的設(shè)計模式，以及未來數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建方式。比如硅光子技術(shù)可以讓未來的數(shù)據(jù)中心或超級計算機的元件遍布整個建筑甚至整個校園，彼此卻還能以很高的速度進行通信，而不再受制于傳輸速率低、傳輸距離短的電纜線。這可以幫助數(shù)據(jù)中心用戶如搜索引擎公司、云計算服務(wù)商或金融數(shù)據(jù)中心，節(jié)約大量空間和能源成本，還能幫助科學(xué)家建立更加強大的超級計算機以解決世界上的大難題。

　　
也許大家最關(guān)心的還是硅光子技術(shù)會對處理器或相關(guān)芯片帶來什么改變？何時才能看到相關(guān)產(chǎn)品？尤其是民用級別的產(chǎn)品。從現(xiàn)實情況來講，硅光子技術(shù)在計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)該會從芯片間的互聯(lián)開始。這一方面是因為計算機系統(tǒng)的性能瓶頸目前還主要在處理器和外圍芯片以及存儲設(shè)備(例如內(nèi)存)之間，同時在技術(shù)上實施也要簡單一些，更長遠來看，硅光子技術(shù)會走進處理器芯片內(nèi)部。目前英特爾已經(jīng)推出了傳輸速率為50Gbps的世界上首顆硅光子芯片，硅光子技術(shù)向應(yīng)用化方向邁出了一大步。

　　
試想，計算機如果以激光傳遞信息，即使光線相交叉也互不影響，而速度卻至少提高了三個數(shù)量級，突破電子邏輯門開關(guān)的速度極限。那時再也沒有金屬導(dǎo)線的高延遲缺陷，沒有令人頭疼的高發(fā)熱量缺陷，計算機更小更快，傳輸信息量更大……諸多優(yōu)越性背后的技術(shù)支撐是鬼光電子學(xué)，硅光電子學(xué)與光通信的結(jié)合，正在使下述服務(wù)成為可能：全球多媒體介入，無處不在的通信、計算和成像，實現(xiàn)“全球本土化”的“實時”傳輸。