計(jì)算機(jī)內(nèi)的光進(jìn)銅退

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盡管摩爾定律現(xiàn)在遇到了很大挑戰(zhàn)，但是，芯片的集成度仍然以每年翻番的速度在不斷增加，這使得芯片的處理能力越來越強(qiáng)大。與之相比，芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸卻一直沒有很好地解決，不僅如此，隨著芯片處理能力的增加，這一問題顯得越發(fā)突出。

業(yè)內(nèi)人士表示，數(shù)據(jù)傳輸問題如果不解決，將會(huì)使得未來的芯片處理能力的提升變得越來越?jīng)]有意義。目前，研究人員正在加緊研究硅基光電子技術(shù)——一種通過光學(xué)元件來傳遞數(shù)據(jù)的方法，以解決芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸這一問題。

數(shù)據(jù)傳輸瓶頸

“芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸不解決，也許是5年，也許是10年，最終我們將達(dá)到一個(gè)極限，處理器將無法提供更好的性能，而無論處理器運(yùn)行得多快都沒有用?！卑雽?dǎo)體市場研究公司Linley集團(tuán)的首席分析師Linley Gwennap說。

以高性能刀片服務(wù)器為例。刀片服務(wù)器每秒需要傳輸500GB的數(shù)據(jù)，如果一條數(shù)據(jù)傳輸通路每秒能傳輸10GB的數(shù)據(jù)，則單向傳輸需要50條數(shù)據(jù)通道，雙向傳輸需要100條。在低壓傳輸?shù)那闆r下，為了避免信號之間的干擾，每一條通道需要兩根線，每條線就意味著一個(gè)連接用的引腳。這樣，為了保證雙向500GB的數(shù)據(jù)傳輸，芯片上需要200個(gè)引腳。如果數(shù)據(jù)傳輸量更大，帶寬更高的話，芯片上就需要更多引腳，換句話說，芯片上需要更多的通孔、線路，層數(shù)也需要更多。

“現(xiàn)在我們還可以增加引腳，但在電路板上每增加一個(gè)引腳，成本就相應(yīng)地新增了一部分。”Gwennap說?，F(xiàn)有的處理器已經(jīng)有了1000〜1200個(gè)引腳，有些甚至接近2000個(gè)，而電路板上的空間畢竟有限，這種辦法遲早要走到盡頭。而且，連線的增加還意味著元器件要消耗更多的電流以及隨之而來的散熱問題。

另外一個(gè)解決辦法是提高數(shù)據(jù)線的傳輸能力，以減少連線數(shù)量，不過，這并不是一個(gè)理想的辦法。即使是每秒40GB的帶寬，以銅導(dǎo)線現(xiàn)有的最高傳輸能力也要幾英寸粗。避開銅線的粗細(xì)不談，銅線的傳輸能力也有極限。

“過去我們認(rèn)為銅線的傳輸能力是10GB/s左右，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了40GB/s，而對于銅線能否超過100GB/s，人們持懷疑態(tài)度?！?In - Stat的市場研究公司首席技術(shù)戰(zhàn)略官Jim McGregor說，“增加電路板上的引腳數(shù)總有極限，并不是一個(gè)終極的解決方法，這就是我們研究光學(xué)技術(shù)的原因?！?/P>

芯片中使用光學(xué)組件

在集成電路中采用光學(xué)元器件的技術(shù)稱為硅光電子（Silicon Photonics）。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，硅光電子技術(shù)利用硅實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。簡單地說，該技術(shù)就是用光來替代傳統(tǒng)的銅導(dǎo)線傳輸信號，以獲得更高的傳輸速度。

光傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)很多。比如兩束激光只要它們的波長不同，相互穿過時(shí)就不會(huì)發(fā)生干擾。事實(shí)上，不同的信號可以在同一根光纜中傳輸，而且光傳輸不用消耗電能，信號10公里范圍不會(huì)出現(xiàn)明顯衰減。

讓硅光電子技術(shù)融入集成電路的關(guān)鍵元件是調(diào)制器（Modulator）、光電探測器（Detector）和波導(dǎo)器(Wave Guide)。調(diào)制器像燈的開關(guān)一樣，以極高的數(shù)據(jù)率在光束上對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這就類似晶體管對電子流的開和關(guān)；光電探測器使用高純度的鍺把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，也就是從光線中讀取數(shù)據(jù)，并向電子設(shè)備發(fā)送信息；波導(dǎo)器像鏡子一樣把光束引導(dǎo)到指定的方向，波導(dǎo)器是摻有其他材料的硅，這使得它的折射率與其底層的硅材料不同，以保證光按照一個(gè)特定的路徑前進(jìn)。

Luxtera是一家位于美國加州的光電設(shè)備供應(yīng)商，只有65名員工，但成立10年來一直致力于硅光電子技術(shù)的研究。其硅光電產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了每條線路25GB/s的數(shù)據(jù)傳輸率，對于前面所說的需要200條線路(或者引腳)來雙向傳輸500GB/s的例子，如果使用這種硅光電設(shè)備就只需要40條單向線路。

Luxtera不久還將推出在同一個(gè)光纖中采用多種波長的設(shè)備。Luxtera公開演示了在同一個(gè)系統(tǒng)使用四種波長不同的光的設(shè)備，這樣每秒500GB的數(shù)據(jù)傳輸只要10條數(shù)據(jù)傳輸線路，最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)每條光纖傳輸500GB/秒。

與Luxtera相比，芯片巨頭英特爾在硅光電子技術(shù)方面的起步更早，研究成果也更為豐碩。2010年7月，英特爾宣布開發(fā)出世界上首個(gè)集成了激光器的硅基光電數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)系統(tǒng)研究原型，每秒可傳輸高達(dá)50GB的數(shù)據(jù)——相當(dāng)于一部完整的高清電影。其發(fā)射器芯片包括四個(gè)激光器和光調(diào)制器，每個(gè)調(diào)制器以12.5GB/s的速度對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。然后，這四條光束將被集中起來并輸出到一條光纖內(nèi)，總的數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)到50GB/s。

英特爾與Luxtera在硅光電子技術(shù)方面最大的不同是，英特爾的技術(shù)路線是用磷化銦作為激光源，并把激光源集成到芯片，這意味著在同一塊硅基材料上既可以蝕刻出電子元器件，也可以發(fā)出激光。而Luxtera則是要在現(xiàn)有芯片之外，另外開發(fā)一個(gè)激光光源。Luxtera認(rèn)為，英特爾的方法成本高，而且無法與現(xiàn)有的晶圓生產(chǎn)工藝共存。兩種技術(shù)究竟誰優(yōu)誰劣還有待市場檢驗(yàn)。

應(yīng)該說，光學(xué)技術(shù)應(yīng)用在海底光纜中已經(jīng)不新鮮了，其關(guān)鍵問題是相關(guān)的激光設(shè)備和放大器等成本過于高昂，而且，很多元件是采用手工組裝的，目前幾乎不可能像集成電路那樣有成熟的技術(shù)可以量產(chǎn)這些光學(xué)設(shè)備。因此，對于硅光電子技術(shù)而言，目前需要對整個(gè)產(chǎn)品家族的生產(chǎn)技術(shù)和工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是該項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在普及的主要問題之一。

硅光電子技術(shù)就是利用硅實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。簡單地說，該技術(shù)就是用光來替代傳統(tǒng)的銅導(dǎo)線傳輸信號，以獲得更高的傳輸速度。