挾光電結(jié)合之威

硅光電子學(xué)于IT產(chǎn)業(yè)的價(jià)值絕不僅僅限于填補(bǔ)硅技術(shù)在有線傳輸領(lǐng)域的空白。

當(dāng)我們再一次回顧計(jì)算的歷史時(shí)，不禁對摩爾定律的神奇，肅然起敬。從1965年還在仙童公司的高登·摩爾發(fā)現(xiàn)了摩爾定律到今天，已經(jīng)49個(gè)年頭了。在這近半個(gè)世紀(jì)中，摩爾定律精準(zhǔn)地規(guī)范著集成電路的發(fā)展。

摩爾定律從誕生到現(xiàn)在，只在1975年進(jìn)行了一次修正，即從當(dāng)初的“芯片上晶體管的集成度大約每18個(gè)月提高1倍”，調(diào)整到“每24個(gè)月提高1倍”。而英特爾的鐘擺戰(zhàn)略，即奇數(shù)年推出新的工藝，偶數(shù)年推出新的架構(gòu)，其工藝進(jìn)步周期為兩年，正好與摩爾定律的24個(gè)月工藝進(jìn)步周期相吻合。

摩爾定律的下一次修改，或者說最終改動，將會出現(xiàn)在十余年之后。根據(jù)半導(dǎo)體領(lǐng)域權(quán)威機(jī)構(gòu)國際半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖(ITRS)2013年發(fā)布的報(bào)告，到2028年，用于高性能處理器的集成電路制程技術(shù)將達(dá)到5nm。這通常被認(rèn)為是半導(dǎo)體工藝的理論極限，因?yàn)槭苤朴诹孔有?yīng)，制程難以進(jìn)一步縮小。

作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，英特爾對制程技術(shù)研發(fā)的不遺余力，使其制程技術(shù)領(lǐng)先ITRS公布的國際半導(dǎo)體技術(shù)平均水平。以14nm制程為例，英特爾預(yù)計(jì)的推出時(shí)間為2015年，而ITRS給出的時(shí)間為2017年，這意味著英特爾將于2016年觸及硅半導(dǎo)體工藝極限。

也就是說，12年或者至多14年之后，持續(xù)60余年，通過制程改進(jìn)來提升處理器計(jì)算性能的方式將會淡出，或者說摩爾定律進(jìn)入失效期。

另一方面，光計(jì)算、量子計(jì)算、生物計(jì)算等非硅計(jì)算仍遙不可及。那么，如何滿足人們對計(jì)算性能的迫切需求似乎成為一個(gè)問題。

事實(shí)上，人們大可不必為此擔(dān)憂。在單核處理器時(shí)代，制程成為提高芯片性能的主要手段。當(dāng)處理器進(jìn)入多核時(shí)代，增加處理器的內(nèi)核數(shù)成為提高芯片性能的另一種有效途徑?，F(xiàn)實(shí)中，人們也看到并行計(jì)算時(shí)代處理器內(nèi)核、處理器乃至服務(wù)器數(shù)量的橫向擴(kuò)張，對計(jì)算性能的提升要比單純提高芯片制程技術(shù)來得更為有效。

然而，并行計(jì)算中，無論是處理器的并行還是系統(tǒng)的并行，都需要網(wǎng)絡(luò)互連來傳輸數(shù)據(jù)。因而，傳輸帶寬這一計(jì)算系統(tǒng)的傳統(tǒng)瓶頸，在并行計(jì)算中顯得更為突出。

盡管光傳輸技術(shù)具有高帶寬、低功耗、高抗干擾等獨(dú)特的性能優(yōu)勢，但其不菲的成本也只有高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等高端用戶能夠承受。

剛剛浮出水面的硅光電子學(xué)，正是將光傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢與CMOS工藝所具有的規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢相結(jié)合，通過顯著降低成本和體積，以及有效提高可靠性，促進(jìn)光傳輸技術(shù)向中低端計(jì)算市場普及。

然而，硅光電子學(xué)更大的價(jià)值不僅在于實(shí)現(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)之間的互連，而且可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部板卡之間的互連，乃至芯片之間甚至芯片內(nèi)部的互連，彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)傳輸這一短板，這在并行計(jì)算時(shí)代尤為重要。

千萬不要低估帶寬的價(jià)值。從2G到3G，移動通信完成了從窄帶到寬帶的跨越。相應(yīng)地，移動通信市場也完成了由摩托羅拉、諾基亞等傳統(tǒng)手機(jī)廠商主導(dǎo)，到由蘋果、谷歌等計(jì)算廠商主導(dǎo)的切換。

而互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展與對社會產(chǎn)生的深刻影響，也與帶寬密切相關(guān)。

在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域與摩爾定律齊名的吉爾德定律指出，主干網(wǎng)帶寬的增長速度至少是運(yùn)算性能增長速度的3倍。主干網(wǎng)帶寬的持續(xù)增長意味著網(wǎng)絡(luò)用戶的使用費(fèi)用不斷降低，并催生出大量新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。吉爾德定律道出了互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的真諦。

而帶寬急劇增加帶來的應(yīng)用與用戶的繁榮，又印證了邁特卡爾定律，即網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值與網(wǎng)絡(luò)使用者數(shù)量的平方成正比。由此，帶寬與對社會的深刻影響便關(guān)聯(lián)起來。

從帶寬意義上看，說硅光電子學(xué)是計(jì)算技術(shù)發(fā)展史上繼晶體管替代電子管、集成電路替代晶體管之后第三次深刻的變革，可能并不為過。

硅光電子學(xué)的前世今生

英特爾第二任CEO摩爾的大名如雷貫耳，第三任CEO格魯夫的名字也耳熟能詳，但其第一任CEO諾伊斯對集成電路技術(shù)的貢獻(xiàn)，可能無人出其右。

1958年夏，德州儀器的工程師基爾比發(fā)明了世界上第一塊鍺集成電路。數(shù)月之后，仙童公司工程師諾伊斯獨(dú)立地研制成功平面工藝的硅集成電路。盡管基爾比因?yàn)榧呻娐返陌l(fā)明而獲得諾貝爾物理學(xué)獎，但其所發(fā)明的集成電路工藝從來沒有被付諸生產(chǎn)。

而諾伊斯發(fā)明的平面工藝，使用的是擴(kuò)散技術(shù)。甚至到了今天，集成電路依舊采用的是諾伊斯發(fā)明的平面工藝，即便是德州儀器也是從諾伊斯而非基爾比的發(fā)明中獲益。

從材料上看，與鍺相比，硅具有漏電少、溫度穩(wěn)定性高、原料豐富等諸多優(yōu)勢，而平面工藝通過光刻技術(shù)可以不斷縮小加工線寬(制程技術(shù))同時(shí)易于大規(guī)模生產(chǎn)，前者使得集成電路速度不斷提升，后者則讓成本不斷下降。而后來低功耗CMOS技術(shù)的引入，更讓硅平面工藝如虎添翼。

受集成電路的啟發(fā)，人們開始在光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行集成光路的探索。但是集成電路中的晶體三極管和二極管最終都可以分解為PN結(jié)這一最簡單的半導(dǎo)體單元，或者從工藝上說，集成電路上所有的三極管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件都可以通過光刻與摻雜擴(kuò)散等方式實(shí)現(xiàn)。相形之下，光路中的光學(xué)器件種類繁多，且各自獨(dú)立。因此，集成光路在尺寸、連接方式、元器件可靠性、制造工藝等方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。

與此同時(shí)，利用成熟的硅工藝與光技術(shù)的結(jié)合，也就成為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的一種技術(shù)路徑的嘗試。

然而，受硅材料自身物理性能的限制，在1962年半導(dǎo)體激光器發(fā)明后的幾十年里，硅基激光器的實(shí)現(xiàn)依舊被譽(yù)為是世界性的難題。

雖然硅光電子學(xué)的設(shè)想在上個(gè)世紀(jì)90年代就提出了，但直到2004年2月，英特爾研制成功1Gbps的硅光調(diào)制器，才標(biāo)志著徘徊多年的硅光電子學(xué)研究，取得了突破性的進(jìn)展。2005年2月，英特爾研制成功連續(xù)波硅拉曼激光器。同年3月，英特爾又將硅光調(diào)制器的帶寬提升到10Gbps。2006年9月，英特爾與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校聯(lián)合宣布研制成功電泵浦硅基拉曼激光器，這是硅光電子學(xué)至關(guān)重要的突破。

英特爾在上述兩年多時(shí)間內(nèi)取得的一系列的技術(shù)突破，證明了硅是一種可行的光學(xué)材料，硅光電子學(xué)這一技術(shù)路線的選擇是正確的，因?yàn)楣韫庾蛹夹g(shù)與CMOS工藝完全兼容，使得CMOS技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元器件的等效功能并將其集成之。

之后的2007年8月，英特爾又推出40Gbps PIN光電探測器。到了2008年12月，英特爾又用雪崩光電探測器進(jìn)一步將性能提高到340GHz增益帶積。2014年3月，英特爾利用其MXC互連技術(shù)，在一根MXC光纜中放置了64根光纖，每根光線的傳輸速率為24Gbps，因而使得總傳輸速率達(dá)到1.6Tbps。

硅光電子學(xué)是用CMOS工藝在硅基片上實(shí)現(xiàn)原有光學(xué)元器件的功能，而非原有光學(xué)元器件在物理尺寸上的微縮。因此，硅光電子學(xué)在工藝實(shí)現(xiàn)上充滿了奇思妙想，而CMOS工藝所具有的納米級制程、規(guī)?；a(chǎn)、高良率、低成本等優(yōu)秀特質(zhì)與光子學(xué)的優(yōu)勢相結(jié)合，又為硅光電子學(xué)開拓了廣泛的應(yīng)用空間。

分羹硅光電子學(xué)

硅光電子學(xué)早期研究的高風(fēng)險(xiǎn)和潛在的廣泛應(yīng)用，正對DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency 美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局)的胃口。因此，DARPA資助斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院，加州大學(xué)的伯克利分校、圣塔芭芭拉分校，波士頓大學(xué)等眾多大學(xué)，以及包括Sun、Luxtera、Kotari等企業(yè)在硅光電子學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究。

大學(xué)在早期硅光電子學(xué)的基礎(chǔ)研究中扮演著重要角色，2006年硅光電子學(xué)領(lǐng)域最重要的突破——硅基拉曼激光器，就是圣塔芭芭拉分校與英特爾聯(lián)合研究的成果。

時(shí)到今日，硅光電子學(xué)開始走向成熟，因而吸引了眾多廠商的關(guān)注與參與。

2012年12月，IBM宣布其在硅納米光子學(xué)領(lǐng)域取得新的突破。IBM稱該項(xiàng)突破容許在單一硅芯片上，采用90納米CMOS工藝，將并排放置的不同的光學(xué)器件與電路集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)了每個(gè)通道超過25Gbps的速率。IBM認(rèn)為，硅納米光電子學(xué)通過無縫地連接各種大型系統(tǒng)，來滿足諸如大數(shù)據(jù)這樣的海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析。

IBM高級副總裁兼研究院總監(jiān)John Kelly表示：“這項(xiàng)技術(shù)的突破是IBM十年以上前沿研究的成果。”

從CMOS工藝實(shí)現(xiàn)上看，IBM稱之為硅納米光子器件，應(yīng)該是硅光電子學(xué)的不同稱謂。盡管IBM在新聞稿中談到的光學(xué)器件包括波分復(fù)用器(WDM)、調(diào)制器和探測器，但卻未談及硅光電子學(xué)中最為核心的硅基激光器。

雖然甲骨文在硬件領(lǐng)域的專長主要是服務(wù)器和存儲，并不涉及網(wǎng)絡(luò)。但作為高端軟硬件供應(yīng)商，甲骨文是不會放過硅光電子學(xué)給數(shù)據(jù)中心帶來的潛在的變革。甲骨文自己的硅光電子學(xué)研發(fā)主要是源于之前收購的Sun公司。Sun在2004年開始硅光電子學(xué)領(lǐng)域的研究，并且從2008年開始，成為DARPA在光子學(xué)領(lǐng)域的合作伙伴。

甲骨文的Krishnamoorthy去年10月對外界表示，硅光電子學(xué)是甲骨文幫助數(shù)據(jù)中心和私有云與公有云滿足未來計(jì)算需求所做的更大努力中的一部分。

除了自己研發(fā)外，甲骨文還強(qiáng)調(diào)與Kotura、Luxtera等工業(yè)伙伴進(jìn)行合作，以及與斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)的圣地亞哥分校和戴維斯分校等大學(xué)的合作。

在有的廠商宣稱已經(jīng)在硅光電子學(xué)技術(shù)上取得重大突破并將計(jì)劃商業(yè)化，或者將目標(biāo)市場定位于系統(tǒng)之間的互連時(shí)，富士通已經(jīng)在商用上進(jìn)行了超前的嘗試。

2013年11月，富士通與英特爾聯(lián)合演示了全球首臺基于英特爾OPCIe(光學(xué)PCIe)總線互連的服務(wù)器。其中OPCIe所用的硅光電子學(xué)芯片和光纜均由英特爾研發(fā)。

而在同年3月，富士通實(shí)驗(yàn)室宣布開發(fā)用于處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)?波長集成硅基激光器。富士通表示，最近幾年，超級計(jì)算機(jī)和高端服務(wù)器的處理器速度大約每18個(gè)月翻番，到了2018年，高容量數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將會用來支持每秒數(shù)個(gè)Tb速度的數(shù)據(jù)輸入與輸出。屆時(shí)，必須考慮使用光來對處理器進(jìn)行互連。

網(wǎng)絡(luò)巨頭思科由于沒有相關(guān)技術(shù)儲備，只好在2010年2月宣布花費(fèi)2.7億美元收購了位于美國賓夕法尼亞州的硅光電子學(xué)新興公司Lightwire，并于2012年3月完成收購。1年以后，思科宣布推出100Gbps硅光電子收發(fā)器，并將其用于思科的多業(yè)務(wù)傳輸平臺Cisco ONS 15454 MSTP上。

以色列的Mellanox是高速網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)Infiniband的領(lǐng)先廠商。面對硅光電子學(xué)的來襲也坐不住了。在2013年5月宣布以8200萬美元現(xiàn)金收購硅光電子學(xué)廠商Kotura。 Mellanox 總裁兼CEO Eyal Waldman對此表示：“我們認(rèn)為在100Gbps的Infiniband和以太網(wǎng)解決方案研發(fā)中，硅光電子學(xué)是非常重要的組成部分。收購Kotura將使我們在低成本與高密度的100Gbps和更快的互連解決方案的競爭中處于更有利的位置。”

當(dāng)微軟從軟件廠商轉(zhuǎn)型為設(shè)備+服務(wù)廠商后，其已兼具硬件角色并擁有規(guī)模上全球屈指可數(shù)的數(shù)據(jù)中心，由此微軟理應(yīng)對硅光電子學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，但微軟除了參加諸如云計(jì)算架構(gòu)Rack Scale或者英特爾用于硅光電子學(xué)的MXC光纜組織外，有關(guān)硅光電子學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)，還停留在在微軟研究院的論文上。

ARM模式能夠復(fù)制嗎?

作為硅光電子學(xué)領(lǐng)域領(lǐng)先廠商，英特爾推動硅光電子學(xué)發(fā)展的模式與其在PC領(lǐng)域的行為模式基本相符。在PC領(lǐng)域，英特爾力主推動開放的標(biāo)準(zhǔn)，通過開放標(biāo)準(zhǔn)來確立自己的平臺領(lǐng)導(dǎo)者地位，比如說早期通過推廣開放的PCI總線來替代IBM私有的微通道總線，進(jìn)而成為PC平臺的領(lǐng)導(dǎo)者，但對于處理器這一計(jì)算產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，英特爾迄今尚未開放。

而在硅光電子學(xué)領(lǐng)域，英特爾也推出了開放的OPCIe總線。與在PC市場的做法一致，英特爾從未表示過開放硅光電子學(xué)芯片技術(shù)。由于硅光電子學(xué)芯片較之硅芯片，涉及多種半導(dǎo)體材料和更加復(fù)雜的制造工藝。因此，硅光電子學(xué)芯片市場的進(jìn)入門檻就更高

然而，一家位于南加州圣地亞哥附近的Luxtera公司，早在2001年成立時(shí)就專注于硅光電子學(xué)領(lǐng)域，并從2005年之后，其產(chǎn)品性能屢次刷新業(yè)界記錄。但在外界看來，Luxtera仍鮮為人知。

直到2012年1月，Luxtera一舉成名。當(dāng)時(shí)，Luxtera宣布其CMOS硅光電子學(xué)芯片制程及其器件庫向OpSIS社區(qū)開放，使得多家廠商在基于Luxtera硅光電子學(xué)芯片技術(shù)進(jìn)行研發(fā)流片時(shí)，可以共享一個(gè)200毫米圓片，從而大大降低了客戶基于Luxtera硅光電子學(xué)IP進(jìn)行芯片研發(fā)的費(fèi)用。

1個(gè)多月后，Luxtera宣布與全球一流的半導(dǎo)體制造商意法半導(dǎo)體合作，將其在硅光電子學(xué)領(lǐng)域領(lǐng)先的IP(芯片知識產(chǎn)權(quán))和知識與意法半導(dǎo)體位于法國克洛爾市的300毫米生產(chǎn)線的工藝相結(jié)合，雙方共同為硅光電子學(xué)市場提供最先進(jìn)的低功耗、高密度的器件和解決方案。

Luxtera總裁兼CEO Greg Young說得更為直接：雙方的合作就是為了擴(kuò)展硅光電子學(xué)的生態(tài)環(huán)境。

其實(shí)，Luxtera開放IP的商業(yè)模式與ARM開放處理器內(nèi)核IP的商業(yè)模式很相近。如果說有所不同的話：一是Luxtera面對的是幾乎空白的廣闊市場，而ARM則是后發(fā)制人;二是Luxtera通過向OpSIS開放，顯著降低了客戶的芯片研發(fā)費(fèi)用。換句話說，與ARM相比，Luxtera所處的市場位置更為有利。

就像英特爾十多年前曾經(jīng)亮出“擴(kuò)展摩爾定律”的理念，試圖將PC市場的成功復(fù)制到移動市場，以至于在2006年不得不作出放棄移動市場的決策。同樣，ARM在移動市場的成功是否能復(fù)制到硅光電子學(xué)領(lǐng)域，也有待市場的驗(yàn)證。

但有一點(diǎn)是肯定的，這就是硅光電子學(xué)市場剛剛浮出水面，英特爾已經(jīng)有了棋力相當(dāng)?shù)膶κ帧?/p>

鏈接 有關(guān)激光

激光無疑是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。沒有激光就沒有現(xiàn)代通信業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)自然也就無從談起。隨著網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代社會中地位的不斷提升，激光的價(jià)值也在不斷地增值。

說到激光，就不能不提及愛因斯坦。而提到愛因斯坦，人們馬上會跟相對論聯(lián)系在一起。然而，愛因斯坦卻是因?yàn)樵诠怆娦?yīng)方面的卓越貢獻(xiàn)，榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎。愛因斯坦發(fā)現(xiàn)原子中處于較高能級(激發(fā)態(tài))的電子，將會自發(fā)地躍遷到較低能級(基態(tài))，同時(shí)發(fā)出一個(gè)光子，電子在躍遷過程中釋放的能量為激發(fā)態(tài)與基態(tài)這兩個(gè)能級之差，也等于光子的頻率與普朗克常數(shù)的乘積。由于這種輻射與外界無關(guān)，所以又稱為自發(fā)輻射。

由于普朗克常數(shù)為一恒定值，所以，光子的頻率僅與原子的能級相關(guān)。又因?yàn)橥N原子的能級結(jié)構(gòu)是固定的，因此，位于相同激發(fā)態(tài)的電子躍遷時(shí)發(fā)出的光子的頻率是固定的，這種單一波長在光學(xué)上被稱之為單色性;而不同種類的原子由于能級結(jié)構(gòu)的差異，決定了電子躍遷時(shí)發(fā)出的頻率有所不同。

1960年，美國物理學(xué)家梅曼通過對閃光燈對紅寶石棒進(jìn)行照射，并從紅寶石棒產(chǎn)生激光，這也是人類第一次獲得激光。

與自發(fā)輻射不同的是，激光利用的是受激輻射，即通過外部輻射的方式，將原子、分子或者離子之中處于基態(tài)或者低能級的電子激發(fā)(泵浦)到較高能級上，當(dāng)大量的電子從高能級躍遷時(shí)，就會發(fā)出相同頻率的光。以紅寶石固體激光為例，激光工作物質(zhì)紅寶石棒放置在由一個(gè)全反射平面鏡和一個(gè)部分反射平面鏡平行放置而構(gòu)成的諧振腔中，從紅寶石棒發(fā)出的激光在諧振腔中往復(fù)振蕩，只有那些與諧振腔同軸的光子，才能通過部分反射鏡發(fā)射出去。

1962年，通用電氣的Robert N. Hall與IBM的Marshall Nathan分別領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)演示了砷化鎵半導(dǎo)體激光器，同年遲些時(shí)候，通用電氣的另一位研究人員Nick Holonyak發(fā)明了可見光半導(dǎo)體激光器，也就是如今被廣泛用于DVD、激光打印機(jī)等上的激光二極管。

如今，半導(dǎo)體激光器就其工作物質(zhì)而言，主要有砷化鎵、磷化銦、硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)等。但卻難以見到硅基半導(dǎo)體激光器的蹤影，究其原因，是因?yàn)楣杷哂械哪軒ЫY(jié)構(gòu)決定了硅自身是一個(gè)弱的發(fā)光材料。

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