近日，IBM宣佈已成功研製出實用化的硅光學晶片，這項已有二十年發展歷史的技術讓人看到了應用的希望。據稱，他們已將一個硅光整合晶片塞到了與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，革命性的新電腦尚未出現之前，硅光學技術將負責填補空缺。

　　歷史：光學透鏡思路一度限制發展

　　IBM的這一消息令行業再次沸騰，為什麼這些“技術者們”會這麼興奮？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從業者就開始為半導體晶片産業尋找繼任者。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晶片發展到物理極限後取而代之，以延續摩爾定律。

　　其中光子計算一度被認為是最有希望的未來技術。與半導體晶片相比，光晶片用超微透鏡取代電晶體、以光信號代替電信號進行運算。光晶片無需改變二進位電腦的軟體原理，但可以輕易實現極高的運算頻率，同時能耗非常低，不需要複雜的散熱裝置。與電腦對應，設想中的光學電腦被稱作“光腦”。早年甚至有人預言2015年光腦就會開始取代硅晶片。

　　但是現實並不盡如人意，科學家和工程師很快就發現製造奈米級的光學透鏡是如此困難，想在小小晶片上整合數十億的透鏡遠遠超出了人類現有的技術水準。

　　好在科研單位並未放棄將光線引入晶片世界的努力。很快人們發現用光通路取代電路來在硅晶片之間傳輸數據是很有潛力的應用方向：光信號在傳輸過程中很少衰減，幾乎不産生熱量，同時可以輕鬆獲得恐怖的頻寬;最重要的是在硅晶片上整合光學數據通道的難度不算太高，不像光子計算那樣近乎幻想。於是從21世紀初開始，以Intel和IBM為首的企業與學術機構就開始重點發展硅晶片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代晶片之間的數據電路。

　　原理：晶片整合光電轉換和傳輸模組

　　以鐳射代替電路傳遞數據的技術對普通人來説並不陌生，音頻設備常見的光纖數字介面就是一個典型例子。如今城市新建寬頻網路已經普遍使用光纖取代了銅纜，大大提升了網路的接入頻寬。光信號技術有很多優勢，但傳統光學數據設備的體積龐大，難以應用在晶片級的信號網路中。

　　硅光學技術的目標就是在晶片上整合光電轉換和傳輸模組，使晶片間光信號交換成為可能。使用該技術的晶片中，電流從計算核心流出，到轉換模組通過光電效應轉換為光信號發射到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊晶片後再轉換為電信號。

　　把複雜的光電轉換模組縮小到奈米尺寸，同時還要能用半導體工藝製造不是容易的事情。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年後串列數據電路技術飛速發展，PCIe、QPI、HyperTransport等總線技術提供的頻寬達到很高的水準，也降低了業界對硅光學技術的潛在需求。

　　直到幾年前，業界發現傳統的銅電路已經接近物理瓶頸，繼續提高頻寬變得越來越困難。同時雲計算産業卻對晶片間數據交換能力提出了更高的要求：數據中心、超級電腦通常會安裝數以千計的高性能處理器，可這些晶片的協同運算能力卻受到晶片互聯頻寬的嚴重制約。

　　例如一顆Xeon CPU從與自己直接連接的記憶體中讀取數據的頻寬高達每秒40G字節，但如果是從另一顆Xeon晶片控制的記憶體中讀入資料，頻寬就會下降一半甚至三分之二。單顆晶片的性能越強、互聯的晶片數量越多，較低的互聯頻寬就越容易成為性能提升的障礙。銅電路不僅頻寬提升困難，功耗和發熱也不可小視，業界對硅光學技術的需求已經到了迫在眉睫的程度。

　　未來：聽得見的腳步聲

　　去年，硅光子器件公司Kotura宣佈其Optical Engine可以通過使用波分復用實現100Gbps的數據傳輸速率，允許不同波長的多個數據信號共用相同光學通路。此類設備適用於數據中心與高性能計算應用程式，解決基於銅線的乙太網網路性能不足問題。此外，IBM、Intel與NEC等晶片廠商巨頭也正在開發硅光子器件。一時之間，硅光子被廣泛重視。

　　2010年，IBM在日本東京發佈了其在晶片技術領域的最新突破——CMOS整合硅奈米光子學技術，該晶片技術可將電子和光子奈米器件整合在一塊硅晶片上，使電腦晶片之間通過光脈衝進行通訊。科學家有望據此研製出比傳統晶片更小、更快、能耗更低的晶片，為億億次超級電腦的研發開闢道路。

　　2013年9月，Intel、康寧宣佈共同研發了新的光纖傳輸技術，300米之內可以做到1.6Tb/s(200GB/s)的驚人速度，這種光纖採用了康寧的ClearCurve LX多模光纖技術，並搭配Intel MXC光學介面，未來可以支援Intel硅光子技術産品。

　　2013年11月富士通宣佈，通過與Intel的大力合作，成功打造並展示了全球第一台基於Intel OPCIe(光學PCI-E)的伺服器，而其中的核心技術就是Intel苦心研發多年的硅光子。

　　2014年12月，華為與奈米研究中心——比利時的微電子研究中心聯合宣佈，聚焦于光學數據鏈路技術，其戰略合作夥伴關係再進一步。這對於硅基光學互連的聯合研究有望帶來諸多益處，包括高速、低功耗和成本節省。

　　這些行業巨頭都在瞄準硅光子市場，重點開發硅光子技術。強大的背景支援，結合夯實的歷史基礎，硅光子技術戴著閃耀的光環重出江湖。

　　硅光學技術很快就會在數據中心、超級電腦領域普及。不過在消費級産業這項技術很難有用武之地：智慧設備和PC本來就沒那麼多晶片，自然也用不上高大上的晶片間光信號傳輸。新技術將更多以間接的形式影響我們的生活：未來雲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資訊服務，背後的功臣之一就是硅光學技術。在半導體工藝達到物理極限，革命性的新電腦尚未出現之前，硅光學技術將負責填補空缺。

　　在整個産業界的努力下，一個個問題正在被突破，業界對硅光子大規模商用也抱有極大的信心，有業內人士預計廣泛應用需要7—10年的時間。（本報記者綜合報道）