英特尔：光传输时代来临 数据中心“嬗变”

前不久，英特尔宣布硅光子学的通信领域应用取得里程碑式进展，证实未来电脑可用激光束代替电子信号传输数据。英特尔实验室通过使用混合硅激光器技术的集成激光器，首次实现了基于硅光子的数据连接，实验芯片可以每秒50Gbps的速度传输数据，相当于每秒可以传送一部完整的高清电影。可以预见，这将对电脑设计产生革命性影响，极大的提高电脑性能并节约能源，基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，无论是对高性能计算机设计还是上网本设计，都会产生重大影响。未来数据中心企业可以消除性能瓶颈，用光纤代替电缆可大大节省空间和能源，大幅降低运营成本。

　　
硅光子技术——为通信带来革命性变化

　　
在信息技术领域，计算和传输是非常重要的两个方面，多核处理器技术的快速发展让计算机的运算性能得到了极大的提升，而目前传输部分显然拖了计算的后腿，在计算机系统中，长久以来使用电路来传输数据，但随着处理器和相关部件运行频率的提高，电路传输面临的问题越来越严重。

　　
当前，计算机组件之间通过电路板的铜线或印痕来相互“沟通”。但使用铜等金属传输数据时，信号会出现衰减，因此铜线的最大长度受到了限制，这就迫使处理器，存储器等组件相互“依赖”，相隔不能太远，因此限制了计算机结构的设计。同时不同的电路之间会产生电磁干扰的现象，尤其是处理器制程的不断提高，线路越来越近，干扰的情况也更加严重，小则影响信号的传输质量，大则可能导致系统“停摆”，而且还会遇到电信号传输速度的极限问题。

　　
另外，目前CPU已经全面转向多核架构，在内核性能越来越强劲的今天，如果核与核之间的数据交换速度非常慢的话，也会严重影响到计算机的性能。因此在硅基半导体的发展接近极限的今天，硅光子技术在这些方面的独特优势开始显露出来。

　　
硅光子最快有多快？

　　
作为一项新兴技术，硅光子技术利用标准硅实现计算机和其他电子设备之间的光信息发送和接受。与晶体管主要依赖于普通硅材料不同，硅光子技术采用的基础材料是玻璃，由于光对于玻璃来说是透明的，不会发生干扰的现象，因此理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号，这很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。当然，硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可是处理器内核之间的数据传输速度比目前块100倍甚至更高。

　　
比如英特尔在2008年成功研发了“雪崩硅基光电探测器”就实现了有史以来最高340Ghz的“增益带宽积”。

　　
小提示：增益带宽积是增益和宽带的乘积，既代表了增益，也反映了带宽，如果有很高的增益带宽乘积的话，则预示着可以得到很高的增益，也可以得到很高的带宽或速度。

　　
英特尔硅光子技术解析

　　
英特尔将硅光子技术定位于解决“芯片间信号问题”的划时代对策，所谓的“芯片间信号问题”，就是指如何全额包层叠的晶圆之间或者各晶圆与内存之间的布线带宽。

　　
在硅光子技术的研发过程中，英特尔一直致力于与业界各顶级公司的研究机构进行深度合作，比如早在2006年，英特尔和美国加州大学圣巴巴拉分校就成功研发出了世界上首款采用标准硅工艺制造的电力混合硅激光器。但最让人感到振奋的是2008年英特尔推出的“雪崩硅基光电探测器”它一举将硅光子技术的增益带宽积提升到了340Ghz，下面我们先简单了解下英特尔硅光子技术系统的工作流程。

　　
激光传输系统一般包括两个终端站和一个中继站，由光纤作为线路，每个终端站都有一个光端机，其中发送设备的功能主要是产生激光，把电信号变换为光信号，即电/光转换，接收设备主要是光检测和放大，把光信号转为电信号，即光/电转换。中继站则把接受的光信号变换为电信号，经过判决再生处理，又把电信号转换为光信号发送出去。

　　
在英特尔的硅光电连接系统中，有硅发射模块芯片两大部分。发射器芯片包括四个激光器，通过他们发射的光束分别进入一个光调制器，进行编码后这四条光束将被集中起来输出到一条光纤内，在连接系统的另一端，接收器芯片会对这四条光束进行分离，并导入到各光电探测器中，然后再把数据转换为电信号。在这里，光电探测器之所以能实现340Ghz增益带宽积，是因为在原有的半导体中加入了“吸收层”。在英特尔的“雪崩硅基光电探测器”中分别有一个吸收区和一个倍增区，两个区采用不同的材料，吸收区采用了锗，而倍增区使用了硅。

　　
通过倍增电子数量来放大信号

　　
在倍增区施加电场，通过吸收层一个光子激发一个电子来到倍增区，在经过系统列电离化后产生10倍~100倍的电子。雪崩探测器这个特别的结构可以让它在光信号接受这一过程，要么缩短传输距离N倍，要么节能N倍。对于未来的处理器来说，硅光电系列在传输的信息量不变的情况下可以节能数十倍或是上百倍，如果在同样的功耗下则可以增加数十倍或上百倍的传输距离。指的一体的是，英特尔正在努力通过提高光调制器的编码速度以及增加每块芯片上激发起的数量，来让数据的传输速度达到1Tbps，以便应对未来的数据密集型应用，这会给数据中心和云计算中心的架构带来全新的改变。

　　
实用化还需要一段时间

　　
硅光子技术的重大突破有重大意义，这意味着高带宽硅光电计算机设备的障碍之一被解决。不过，硅光子技术从实验走向实用还面临着巨大的挑战，这里面还有一些问题需要解决，比如如何才能够将硅光子传输技术移植到处理器内部的核与核的链接上？这里涉及相当复杂的生产工艺及成本问题。大多数硅光子器件都采用砷化镓和磷化铟之类的特殊半导体制造，成本过于高昂，封装业十分复杂。事实上，大部分硅光子期间的尺寸并不是纳米级，但是关键的制程工艺均是纳米技术。

　　
例如，利用标准的CMOS生产线，厂商首先在绝缘体上的硅(SOI)晶圆上刻蚀硅光子器件，通过低压化学气相沉积技术将氧化物沉积在晶圆上，然后通过电子束曝光写入波导和光纤耦合器硅锥的图案。若制备光子晶体，则需要过度曝光，其目的是消除图案写入过程的临近效应。

　　
曝光后光蚀刻过程，分为三步：首先将光致抗蚀图案转移到硬的氧化物掩膜上，其次掩膜将条形波导和偶和区域保护起来防止被刻蚀，最后形成光纤耦合器的环氧聚合物。因此，硅光子技术要求器件制备工艺的精度控制在纳米尺度，纳米尺度是硅光子器件能够正常工作的关键，否则器件的性能大打折扣，器件的表面通常需要磨平，表面粗糙度必须小于几个纳米。虽然目前光刻技术的精度可以达到纳米量级，但这并不意味着芯片的大小是纳米尺度。因此要让硅光子技术实用化，生产工艺改进是一大难题。

　　
此外硅光子技术还要面对另一个最严峻的问题——损耗过大。目前光纤可以做到0.2dB/公里，硅光子由于依靠腐蚀硅材料的办法做波导，目前典型的数据是0.2dB/厘米，信号衰减还比较大。不过未来一旦硅光子技术达到实用化程度，其高带宽、高速率、低干扰的特性将给芯片间互联、底板布线技术带来革命性的变化，并将彻底改变目前计算机系统中通信速度和带宽远远落后于处理器芯片计算速度的现状，从而从系统层级上帮助延续摩尔定律。

　　
硅光子技术改变行业应用

　　
硅光子技术的突破将从根本上改变未来计算机的架构设计，未来的计算机内部可采用万亿比特量级的光学数据通路，从根本上改变未来电脑的设计模式，以及未来数据中心的构建方式。比如硅光子技术可以让未来的数据中心或超级计算机的元件遍布整个建筑甚至整个校园，彼此却还能以很高的速度进行通信，而不再受制于传输速率低、传输距离短的电缆线。这可以帮助数据中心用户如搜索引擎公司、云计算服务商或金融数据中心，节约大量空间和能源成本，还能帮助科学家建立更加强大的超级计算机以解决世界上的大难题。

　　
也许大家最关心的还是硅光子技术会对处理器或相关芯片带来什么改变？何时才能看到相关产品？尤其是民用级别的产品。从现实情况来讲，硅光子技术在计算机系统中的应用应该会从芯片间的互联开始。这一方面是因为计算机系统的性能瓶颈目前还主要在处理器和外围芯片以及存储设备(例如内存)之间，同时在技术上实施也要简单一些，更长远来看，硅光子技术会走进处理器芯片内部。目前英特尔已经推出了传输速率为50Gbps的世界上首颗硅光子芯片，硅光子技术向应用化方向迈出了一大步。

　　
试想，计算机如果以激光传递信息，即使光线相交叉也互不影响，而速度却至少提高了三个数量级，突破电子逻辑门开关的速度极限。那时再也没有金属导线的高延迟缺陷，没有令人头疼的高发热量缺陷，计算机更小更快，传输信息量更大……诸多优越性背后的技术支撑是鬼光电子学，硅光电子学与光通信的结合，正在使下述服务成为可能：全球多媒体介入，无处不在的通信、计算和成像，实现“全球本土化”的“实时”传输。