矽光電子學：IT新曙光

賽迪網2014-07-07 16:32:53

如果要問：什麼技術讓思科、富士通、英特爾、IBM、甲骨文這些在IT不同領域中稱王稱霸的廠商能夠趣味相投？答案盡人皆知——雲計算、大數據、移動網際網路、社交網絡，這是當下的產業熱點。

上述產業熱點不僅讓人們重新認識數據的價值，也讓數據對計算資源的需求變得更為貪婪，而其中數據傳輸帶寬已經成為計算性能提高的瓶頸。

但要問這些廠商下一步的興趣點在哪裡？知道矽光電子學這個名詞的人就不多了。

未來，首先是雲計算、大數據這樣的後台應用，然後是移動網際網路等個人計算設備都將與矽光電子學密不可分。

事實上，從2004年英特爾實驗室在《自然》雜誌上發文宣布矽光電子學實質性的突破——1Gbps矽光調製器研製成功到今天，已經整整十年。

這十年是矽光電子學逐步走向成熟的十年。

在2013年5月慶祝乙太網誕生40周年儀式上，博通公司創始人兼CTO Henry Samueli在接受媒體採訪時表示，矽光電子學在網絡交換中是一項非常重要的技術，因為現有的電子交換方式在功耗和用電成本上變得日益昂貴，因此，在超越Tbps時，矽光電子學將會變得很有意義。

而作為計算廠商的甲骨文比網絡廠商博通更加樂觀，同樣是在2013年，甲骨文矽光電子學首席技術專家A.V. Krishnamoorthy表示，未來五年內，所有的伺服器都將在25Gbps或更快一點的速率上相互連接。

最新的消息是今年6月中旬，美國《商業周刊》報導說，惠普實驗室將其研發經費的75%投入到名為「機器」(The Machine)的下一代計算架構研發項目中。

在這個大賭注中，將會有全新的作業系統、新型的內存和超快的總線/外設互連，而這一超快的互連就建立在矽光電子學基礎之上。

惠普告訴《商業周刊》，「機器」將會在未來幾年內商品化。

最後一塊空地

矽光電子學為什麼會受到眾多IT「大佬」的青睞？或許從計算技術的發展歷程中能夠找到答案，某種意義上說，回顧歷史不失為展望未來的一種切實可行的方式。

1946年2月，全球第一台多用途電子計算機ENIAC誕生於美國賓夕法尼亞大學。

從外觀上看，ENIAC堪稱「巨型」機，它占地170平方米、重達30噸，由約1.75萬隻電子管構成的，耗電高達150千瓦，但每秒只能運行5000次的加法運算。

到了1981年8月，IBM推出個人電腦IBM 5150，採用的是主頻4.77MHz的英特爾16位8088處理器，內存640KB，性能已經遠遠超過ENIAC，而重量不足12公斤，功耗只有100多瓦。

如今，人們使用的智慧型手機已經是32位的多路處理器，主頻數以GHz計，其性能、功耗、體積和成本都讓當年的PC望塵莫及。

計算性能的不斷提升、計算成本的不斷下降、計算設備體積的不斷縮小，三股力量並駕齊驅，推動著計算技術的迅速發展，進而推動人類社會進入資訊時代。

而集成電路技術，更確切地說，是在計算領域幾乎一統天下的CMOS工藝(互補型金屬氧化物半導體)為代表的矽半導體技術在其中扮演著「第一推動力」的角色。

在計算領域，CMOS工藝幾乎成為半導體技術的代名詞，這是因為CMOS工藝將矽半導體優異的性能與大規模的生產完美地結合在一起。

事實上，在多種半導體材料與工藝中，只有CMOS工藝嚴格遵循摩爾定律。

歷史上，半導體技術的每一次重大進步都對計算領域產生深刻的影響。

計算上，銅互連、絕緣體上矽(SoI)、3D電晶體等半導體技術和超標量、超線程、多核等處理器新技術不斷推高計算的性能，片上系統(SoC)又使得計算系統體積不斷縮小、可靠性不斷提升、成本不斷下降。

而存儲上，在半導體存儲技術替代早期的磁芯存儲後，從最初的動態隨機存儲器(DRAM)到靜態隨機存儲器(SDRAM)、快閃記憶體(Flash)，半導體技術一統內存天下。

除了性能優勢外，成本這一半導體技術的另一優勢，在存儲領域也得到充分的彰顯。

在基於Flash技術的固態硬碟(SSD)成本不斷下降，為更多人所接受之後，半導體技術開始侵占以磁存儲技術主導的硬碟市場；也正是得益於成本的下降，內存計算才能將硬碟從計算中排擠出去。

作為信息處理中計算、存儲和傳輸三大組成部分之一的傳輸領域，半導體技術主導無線傳輸領域早已是不爭的事實，但在有線傳輸領域，除了各式各樣的銅纜外，還有高端的光纖。

儘管光傳輸較之電傳輸在帶寬上具有絕對的優勢，但將電信號調製到光波的電光轉換和從光波中解調出電信號的光電轉換，仍需要專用的光電轉換器。

其核心光電轉換器件採用的是砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)半導體器件，因而成本較高，大都應用於高性能計算、數據中心等對網絡速度要求苛刻的領域。

而基於CMOS工藝的矽半導體技術所具有的成本與體積優勢，在這一領域尚未展露出來。

如今，半導體技術正在填補其包括計算、存儲與傳輸在內的信息處理架構中最後一塊空白——光纖數據傳輸，確切地說，填補這一空白的是矽光電子學。

挾光電結合之威

矽光電子學於IT產業的價值絕不僅僅限於填補矽技術在有線傳輸領域的空白。

當我們再一次回顧計算的歷史時，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·摩爾發現了摩爾定律到今天，已經49個年頭了。

在這近半個世紀中，摩爾定律精準地規範著集成電路的發展。

摩爾定律從誕生到現在，只在1975年進行了一次修正，即從當初的「晶片上電晶體的集成度大約每18個月提高1倍」，調整到「每24個月提高1倍」。

而英特爾的鐘擺戰略，即奇數年推出新的工藝，偶數年推出新的架構，其工藝進步周期為兩年，正好與摩爾定律的24個月工藝進步周期相吻合。

摩爾定律的下一次修改，或者說最終改動，將會出現在十餘年之後。

根據半導體領域權威機構國際半導體發展藍圖(ITRS)2013年發布的報告，到2028年，用於高性能處理器的集成電路製程技術將達到5nm。

這通常被認為是半導體工藝的理論極限，因為受制於量子效應，製程難以進一步縮小。

作為半導體產業的領導者，英特爾對製程技術研發的不遺餘力，使其製程技術領先ITRS公布的國際半導體技術平均水平。

以14nm製程為例，英特爾預計的推出時間為2015年，而ITRS給出的時間為2017年，這意味著英特爾將於2016年觸及矽半導體工藝極限。

也就是說，12年或者至多14年之後，持續60餘年，通過製程改進來提升處理器計算性能的方式將會淡出，或者說摩爾定律進入失效期。

另一方面，光計算、量子計算、生物計算等非矽計算仍遙不可及。

那麼，如何滿足人們對計算性能的迫切需求似乎成為一個問題。

事實上，人們大可不必為此擔憂。

在單核處理器時代，製程成為提高晶片性能的主要手段。

當處理器進入多核時代，增加處理器的內核數成為提高晶片性能的另一種有效途徑。

現實中，人們也看到並行計算時代處理器內核、處理器乃至伺服器數量的橫向擴張，對計算性能的提升要比單純提高晶片製程技術來得更為有效。

然而，並行計算中，無論是處理器的並行還是系統的並行，都需要網絡互連來傳輸數據。

因而，傳輸帶寬這一計算系統的傳統瓶頸，在並行計算中顯得更為突出。

儘管光傳輸技術具有高帶寬、低功耗、高抗干擾等獨特的性能優勢，但其不菲的成本也只有高性能計算、數據中心等高端用戶能夠承受。

剛剛浮出水面的矽光電子學，正是將光傳輸的技術優勢與CMOS工藝所具有的規模生產優勢相結合，通過顯著降低成本和體積，以及有效提高可靠性，促進光傳輸技術向中低端計算市場普及。

然而，矽光電子學更大的價值不僅在於實現計算系統之間的互連，而且可以實現計算系統內部板卡之間的互連，乃至晶片之間甚至晶片內部的互連，彌補了數據傳輸這一短板，這在並行計算時代尤為重要。

千萬不要低估帶寬的價值。

從2G到3G，移動通信完成了從窄帶到寬頻的跨越。

相應地，移動通信市場也完成了由摩托羅拉、諾基亞等傳統手機廠商主導，到由蘋果、谷歌等計算廠商主導的切換。

而網際網路的高速發展與對社會產生的深刻影響，也與帶寬密切相關。

在網絡領域與摩爾定律齊名的吉爾德定律指出，主幹網帶寬的增長速度至少是運算性能增長速度的3倍。

主幹網帶寬的持續增長意味著網絡用戶的使用費用不斷降低，並催生出大量新的網絡應用。

吉爾德定律道出了網際網路高速發展的真諦。

而帶寬急劇增加帶來的應用與用戶的繁榮，又印證了邁特卡爾定律，即網絡的價值與網絡使用者數量的平方成正比。

由此，帶寬與對社會的深刻影響便關聯起來。

從帶寬意義上看，說矽光電子學是計算技術發展史上繼電晶體替代電子管、集成電路替代電晶體之後第三次深刻的變革，可能並不為過。

矽光電子學的前世今生

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的貢獻，可能無人出其右。

1958年夏，德州儀器的工程師基爾比發明了世界上第一塊鍺集成電路。

數月之後，仙童公司工程師諾伊斯獨立地研製成功平面工藝的矽集成電路。

儘管基爾比因為集成電路的發明而獲得諾貝爾物理學獎，但其所發明的集成電路工藝從來沒有被付諸生產。

而諾伊斯發明的平面工藝，使用的是擴散技術。

甚至到了今天，集成電路依舊採用的是諾伊斯發明的平面工藝，即便是德州儀器也是從諾伊斯而非基爾比的發明中獲益。

從材料上看，與鍺相比，矽具有漏電少、溫度穩定性高、原料豐富等諸多優勢，而平面工藝通過光刻技術可以不斷縮小加工線寬(製程技術)同時易於大規模生產，前者使得集成電路速度不斷提升，後者則讓成本不斷下降。

而後來低功耗CMOS技術的引入，更讓矽平面工藝如虎添翼。

受集成電路的啟發，人們開始在光學領域進行集成光路的探索。

但是集成電路中的晶體三極體和二極體最終都可以分解為PN結這一最簡單的半導體單元，或者從工藝上說，集成電路上所有的三極體、二極體等有源器件和電阻、電容等無源元件都可以通過光刻與摻雜擴散等方式實現。

相形之下，光路中的光學器件種類繁多，且各自獨立。

因此，集成光路在尺寸、連接方式、元器件可靠性、製造工藝等方面還面臨諸多挑戰。

與此同時，利用成熟的矽工藝與光技術的結合，也就成為應對上述挑戰的一種技術路徑的嘗試。

然而，受矽材料自身物理性能的限制，在1962年半導體雷射器發明後的幾十年里，矽基雷射器的實現依舊被譽為是世界性的難題。

雖然矽光電子學的設想在上個世紀90年代就提出了，但直到2004年2月，英特爾研製成功1Gbps的矽光調製器，才標誌著徘徊多年的矽光電子學研究，取得了突破性的進展。

2005年2月，英特爾研製成功連續波矽拉曼雷射器。

同年3月，英特爾又將矽光調製器的帶寬提升到10Gbps。

2006年9月，英特爾與加州大學聖塔芭芭拉分校聯合宣布研製成功電泵浦矽基拉曼雷射器，這是矽光電子學至關重要的突破。

英特爾在上述兩年多時間內取得的一系列的技術突破，證明了矽是一種可行的光學材料，矽光電子學這一技術路線的選擇是正確的，因為矽光子技術與CMOS工藝完全兼容，使得CMOS技術得以實現光學元器件的等效功能並將其集成之。

之後的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，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到1.6Tbps。

矽光電子學是用CMOS工藝在矽基片上實現原有光學元器件的功能，而非原有光學元器件在物理尺寸上的微縮。

因此，矽光電子學在工藝實現上充滿了奇思妙想，而CMOS工藝所具有的納米級製程、規模化生產、高良率、低成本等優秀特質與光子學的優勢相結合，又為矽光電子學開拓了廣泛的應用空間。

分羹矽光電子學

矽光電子學早期研究的高風險和潛在的廣泛應用，正對DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency 美國國防部先進研究項目局)的胃口。

因此，DARPA資助史丹福大學，麻省理工學院，加州大學的伯克利分校、聖塔芭芭拉分校，波士頓大學等眾多大學，以及包括Sun、Luxtera、Kotari等企業在矽光電子學領域進行研究。

大學在早期矽光電子學的基礎研究中扮演著重要角色，2006年矽光電子學領域最重要的突破——矽基拉曼雷射器，就是聖塔芭芭拉分校與英特爾聯合研究的成果。

時到今日，矽光電子學開始走向成熟，因而吸引了眾多廠商的關注與參與。

2012年12月，IBM宣布其在矽納米光子學領域取得新的突破。

IBM稱該項突破容許在單一矽晶片上，採用90納米CMOS工藝，將並排放置的不同的光學器件與電路集成在一起，從而實現了每個通道超過25Gbps的速率。

IBM認為，矽納米光電子學通過無縫地連接各種大型系統，來滿足諸如大數據這樣的海量數據的實時處理和分析。

IBM高級副總裁兼研究院總監John Kelly表示：「這項技術的突破是IBM十年以上前沿研究的成果。

」

從CMOS工藝實現上看，IBM稱之為矽納米光子器件，應該是矽光電子學的不同稱謂。

儘管IBM在新聞稿中談到的光學器件包括波分復用器(WDM)、調製器和探測器，但卻未談及矽光電子學中最為核心的矽基雷射器。

雖然甲骨文在硬體領域的專長主要是伺服器和存儲，並不涉及網絡。

但作為高端軟硬體供應商，甲骨文是不會放過矽光電子學給數據中心帶來的潛在的變革。

甲骨文自己的矽光電子學研發主要是源於之前收購的Sun公司。

Sun在2004年開始矽光電子學領域的研究，並且從2008年開始，成為DARPA在光子學領域的合作夥伴。

甲骨文的Krishnamoorthy去年10月對外界表示，矽光電子學是甲骨文幫助數據中心和私有雲與公有雲滿足未來計算需求所做的更大努力中的一部分。

除了自己研發外，甲骨文還強調與Kotura、Luxtera等工業夥伴進行合作，以及與史丹福大學、加州大學的聖地亞哥分校和戴維斯分校等大學的合作。

在有的廠商宣稱已經在矽光電子學技術上取得重大突破並將計劃商業化，或者將目標市場定位於系統之間的互連時，富士通已經在商用上進行了超前的嘗試。

2013年11月，富士通與英特爾聯合演示了全球首台基於英特爾OPCIe(光學PCIe)總線互連的伺服器。

其中OPCIe所用的矽光電子學晶片和光纜均由英特爾研發。

而在同年3月，富士通實驗室宣布開發用於處理器內部數據傳輸的4波長集成矽基雷射器。

富士通表示，最近幾年，超級計算機和高端伺服器的處理器速度大約每18個月翻番，到了2018年，高容量數據傳輸技術將會用來支持每秒數個Tb速度的數據輸入與輸出。

屆時，必須考慮使用光來對處理器進行互連。

網絡巨頭思科由於沒有相關技術儲備，只好在2010年2月宣布花費2.7億美元收購了位於美國賓夕法尼亞州的矽光電子學新興公司Lightwire，並於2012年3月完成收購。

1年以後，思科宣布推出100Gbps矽光電子收發器，並將其用於思科的多業務傳輸平台Cisco ONS 15454 MSTP上。

以色列的Mellanox是高速網絡互連技術Infiniband的領先廠商。

面對矽光電子學的來襲也坐不住了。

在2013年5月宣布以8200萬美元現金收購矽光電子學廠商Kotura。

Mellanox 總裁兼CEO Eyal Waldman對此表示：「我們認為在100Gbps的Infiniband和乙太網解決方案研發中，矽光電子學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於更有利的位置。

」

當微軟從軟體廠商轉型為設備+服務廠商後，其已兼具硬體角色並擁有規模上全球屈指可數的數據中心，由此微軟理應對矽光電子學產生濃厚的興趣，但微軟除了參加諸如雲計算架構Rack Scale或者英特爾用於矽光電子學的MXC光纜組織外，有關矽光電子學領域的研發，還停留在在微軟研究院的論文上。

ARM模式能夠複製嗎？

作為矽光電子學領域領先廠商，英特爾推動矽光電子學發展的模式與其在PC領域的行為模式基本相符。

在PC領域，英特爾力主推動開放的標準，通過開放標準來確立自己的平台領導者地位，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，進而成為PC平台的領導者，但對於處理器這一計算產業的核心技術，英特爾迄今尚未開放。

而在矽光電子學領域，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矽光電子學晶片技術。

由於矽光電子學晶片較之矽晶片，涉及多種半導體材料和更加複雜的製造工藝。

因此，矽光電子學晶片市場的進入門檻就更高

然而，一家位於南加州聖地亞哥附近的Luxtera公司，早在2001年成立時就專注於矽光電子學領域，並從2005年之後，其產品性能屢次刷新業界記錄。

但在外界看來，Luxtera仍鮮為人知。

直到2012年1月，Luxtera一舉成名。

當時，Luxtera宣布其CMOS矽光電子學晶片製程及其器件庫向OpSIS社區開放，使得多家廠商在基於Luxtera矽光電子學晶片技術進行研發流片時，可以共享一個200毫米圓片，從而大大降低了客戶基於Luxtera矽光電子學IP進行晶片研發的費用。

1個多月後，Luxtera宣布與全球一流的半導體製造商意法半導體合作，將其在矽光電子學領域領先的IP(晶片智慧財產權)和知識與意法半導體位於法國克洛爾市的300毫米生產線的工藝相結合，雙方共同為矽光電子學市場提供最先進的低功耗、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展矽光電子學的生態環境。

其實，Luxtera開放IP的商業模式與ARM開放處理器內核IP的商業模式很相近。

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則是後發制人；二是Luxtera通過向OpSIS開放，顯著降低了客戶的晶片研發費用。

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亮出「擴展摩爾定律」的理念，試圖將PC市場的成功複製到移動市場，以至於在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複製到矽光電子學領域，也有待市場的驗證。

但有一點是肯定的，這就是矽光電子學市場剛剛浮出水面，英特爾已經有了棋力相當的對手。

連結 有關雷射

雷射無疑是20世紀最重要的發明之一。

沒有雷射就沒有現代通信業，網際網路自然也就無從談起。

隨著網絡在現代社會中地位的不斷提升，雷射的價值也在不斷地增值。

說到雷射，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繫在一起。

然而，愛因斯坦卻是因為在光電效應方面的卓越貢獻，榮獲1921年諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦發現原子中處於較高能級(激發態)的電子，將會自發地躍遷到較低能級(基態)，同時發出一個光子，電子在躍遷過程中釋放的能量為激發態與基態這兩個能級之差，也等於光子的頻率與普朗克常數的乘積。

由於這種輻射與外界無關，所以又稱為自發輻射。

由於普朗克常數為一恆定值，所以，光子的頻率僅與原子的能級相關。

又因為同種原子的能級結構是固定的，因此，位於相同激發態的電子躍遷時發出的光子的頻率是固定的，這種單一波長在光學上被稱之為單色性；而不同種類的原子由於能級結構的差異，決定了電子躍遷時發出的頻率有所不同。

1960年，美國物理學家梅曼通過對閃光燈對紅寶石棒進行照射，並從紅寶石棒產生雷射，這也是人類第一次獲得雷射。

與自發輻射不同的是，雷射利用的是受激輻射，即通過外部輻射的方式，將原子、分子或者離子之中處於基態或者低能級的電子激發(泵浦)到較高能級上，當大量的電子從高能級躍遷時，就會發出相同頻率的光。

以紅寶石固體雷射為例，雷射工作物質紅寶石棒放置在由一個全反射平面鏡和一個部分反射平面鏡平行放置而構成的諧振腔中，從紅寶石棒發出的雷射在諧振腔中往復振蕩，只有那些與諧振腔同軸的光子，才能通過部分反射鏡發射出去。

1962年，通用電氣的Robert N. Hall與IBM的Marshall Nathan分別領導的研究團隊演示了砷化鎵半導體雷射器，同年遲些時候，通用電氣的另一位研究人員Nick Holonyak發明了可見光半導體雷射器，也就是如今被廣泛用於DVD、雷射印表機等上的雷射二極體。

如今，半導體雷射器就其工作物質而言，主要有砷化鎵、磷化銦、硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)等。

但卻難以見到矽基半導體雷射器的蹤影，究其原因，是因為矽所具有的能帶結構決定了矽自身是一個弱的發光材料。