解读硅光子技术的前世今生

近日IBM宣布已经研制成功实用化的硅光学芯片，让这项已经有二十年发展历史的技术看到了大规模商用化的曙光。


【前世】

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。光子计算、量子计算、生物计算、超导计算等概念一时间炙手可热，它们的目标都是在硅芯片发展到物理极限后取而代之，以延续摩尔定律。

其中光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。与半导体芯片相比，光芯片用超微透镜取代晶体管、以光信号代替电信号进行运算。光芯片无需改变二进制计算机的软件原理，但可以轻易实现极高的运算频率，同时能耗非常低，不需要复杂的散热装置。与电脑对应，设想中的光学计算机被称作“光脑”。早年甚至有人预言2015年光脑就会开始取代硅芯片。

理想是美好的，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。真正实用化的光子计算技术恐怕要再等几十年才会出现，于是IT业放弃了这一理想，转而继续挖掘半导体技术的潜能。

【今生】

虽然光子计算的研究沉寂了，但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。


光纤音频接口如今随处可见，这类设备的体积较大，无法集成进芯片

以激光代替电路传递数据的技术对普通人来说并不陌生，音频设备常见的光纤数字接口就是一个典型例子。如今城市新建宽带网络已经普遍使用光纤取代了铜缆，大大提升了网络的接入带宽。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。


芯片级光电转换模块

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。

直到两年前，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。例如一颗Xeon CPU从与自己直接连接的内存中读取数据的带宽高达每秒40G字节，但如果是从另一颗Xeon芯片控制的内存中读入资料，带宽就会下降一半甚至三分之二。单颗芯片的性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍。铜电路不仅带宽提升困难，功耗和发热也不可小视，业界对硅光学技术的需求已经到了迫在眉睫的程度。


高端服务器集成四至八颗处理器，而数据中心往往配备上千台服务器

幸运的是，经过十余年的研究硅光子工艺终于到了大规模实用化的程度。Intel和IBM的相关技术现在离产业化只有一步之遥。硅光学技术不仅能大幅提高芯片互联带宽，还远比传统的铜电路节省能源和散热需求，对云计算产业意义重大。虽然在商业化初期使用该技术的芯片成本会很高昂，但习惯了售价数千乃至数万美元的处理器的客户并不会在意每块处理器几百美元的成本提升。芯片间信号通路改用光路后，大量芯片的联合计算性能会成倍增长，同时总体能耗明显下降，大大提高了服务器集群的效率。

【未来】

在Intel和IBM两大巨头的推动下，硅光学技术很快就会在数据中心、超级计算机领域普及。不过在消费级产业这项技术很难有用武之地：智能设备和PC本来就没那么多芯片，自然也用不上高大上的芯片间光信号传输。新技术将更多以间接的形式影响我们的生活：未来云计算平台的性能快速增长可以为普通用户提供更快更好的信息服务，背后的功臣之一就是硅光学技术。

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