近日IBM宣布已經(jīng)研制成功實(shí)用化的硅光學(xué)芯片，讓這項(xiàng)已經(jīng)有二十年發(fā)展歷史的技術(shù)看到了大規(guī)模商用化的曙光。
前世
早在上世紀(jì)九十年代，IT從業(yè)者就開始為半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)尋找繼任者。光子計(jì)算、量子計(jì)算、生物計(jì)算、超導(dǎo)計(jì)算等概念一時(shí)間炙手可熱，它們的目標(biāo)都是在硅芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。
其中光子計(jì)算一度被認(rèn)為是最有希望的未來技術(shù)。與半導(dǎo)體芯片相比，光芯片用超微透鏡取代晶體管、以光信號代替電信號進(jìn)行運(yùn)算。光芯片無需改變二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的軟件原理，但可以輕易實(shí)現(xiàn)極高的運(yùn)算頻率，同時(shí)能耗非常低，不需要復(fù)雜的散熱裝置。與電腦對應(yīng)，設(shè)想中的光學(xué)計(jì)算機(jī)被稱作“光腦”。早年甚至有人預(yù)言2015年光腦就會開始取代硅芯片。
理想是美好的，現(xiàn)實(shí)總是殘酷的。科學(xué)家和工程師很快就發(fā)現(xiàn)制造納米級的光學(xué)透鏡是如此困難，想在小小的芯片上集成數(shù)十億的透鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類現(xiàn)有的技術(shù)水平。真正實(shí)用化的光子計(jì)算技術(shù)恐怕要再等幾十年才會出現(xiàn)，于是IT業(yè)放棄了這一理想，轉(zhuǎn)而繼續(xù)挖掘半導(dǎo)體技術(shù)的潛能。
今生
雖然光子計(jì)算的研究沉寂了，但科研單位并未放棄將光線引入芯片世界的努力。很快人們發(fā)現(xiàn)用光通路取代電路來在硅芯片之間傳輸數(shù)據(jù)是很有潛力的應(yīng)用方向：光信號在傳輸過程中很少衰減，幾乎不產(chǎn)生熱量，同時(shí)可以輕松獲得恐怖的帶寬;最重要的是在硅芯片上集成光學(xué)數(shù)據(jù)通道的難度不算太高，不像光子計(jì)算那樣近乎幻想。于是從21世紀(jì)初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。
光纖音頻接口如今隨處可見，這類設(shè)備的體積較大，無法集成進(jìn)芯片
以激光代替電路傳遞數(shù)據(jù)的技術(shù)對普通人來說并不陌生，音頻設(shè)備常見的光纖數(shù)字接口就是一個(gè)典型例子。如今城市新建寬帶網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普遍使用光纖取代了銅纜，大大提升了網(wǎng)絡(luò)的接入帶寬。光信號技術(shù)有很多優(yōu)勢，但傳統(tǒng)光學(xué)數(shù)據(jù)設(shè)備的體積龐大，難以應(yīng)用在芯片級的信號網(wǎng)絡(luò)中。硅光學(xué)技術(shù)的目標(biāo)就是在芯片上集成光電轉(zhuǎn)換和傳輸模塊，使芯片間光信號交換成為可能。使用該技術(shù)的芯片中，電流從計(jì)算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號。
芯片級光電轉(zhuǎn)換模塊
把復(fù)雜的光電轉(zhuǎn)換模塊縮小到納米尺寸，同時(shí)還要能用半導(dǎo)體工藝制造不是容易的事情。雖然實(shí)驗(yàn)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年后串行數(shù)據(jù)電路技術(shù)飛速發(fā)展，PCIe、QPI、HyperTransport等總線技術(shù)提供的帶寬達(dá)到很高的水平，也降低了業(yè)界對硅光學(xué)技術(shù)的潛在需求。
直到兩年前，業(yè)界發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的銅電路已經(jīng)接近物理瓶頸，繼續(xù)提高帶寬變得越來越困難。同時(shí)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)卻對芯片間數(shù)據(jù)交換能力提出了更高的要求：數(shù)據(jù)中心、超級計(jì)算機(jī)通常會安裝數(shù)以千計(jì)的高性能處理器，可這些芯片的協(xié)同運(yùn)算能力卻受到芯片互聯(lián)帶寬的嚴(yán)重制約。例如一顆Xeon CPU從與自己直接連接的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)的帶寬高達(dá)每秒40G字節(jié)，但如果是從另一顆Xeon芯片控制的內(nèi)存中讀入資料，帶寬就會下降一半甚至三分之二。單顆芯片的性能越強(qiáng)、互聯(lián)的芯片數(shù)量越多，較低的互聯(lián)帶寬就越容易成為性能提升的障礙。銅電路不僅帶寬提升困難，功耗和發(fā)熱也不可小視，業(yè)界對硅光學(xué)技術(shù)的需求已經(jīng)到了迫在眉睫的程度。
高端服務(wù)器集成四至八顆處理器，而數(shù)據(jù)中心往往配備上千臺服務(wù)器
幸運(yùn)的是，經(jīng)過十余年的研究硅光子工藝終于到了大規(guī)模實(shí)用化的程度。Intel和IBM的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)在離產(chǎn)業(yè)化只有一步之遙。硅光學(xué)技術(shù)不僅能大幅提高芯片互聯(lián)帶寬，還遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的銅電路節(jié)省能源和散熱需求，對云計(jì)算產(chǎn)業(yè)意義重大。雖然在商業(yè)化初期使用該技術(shù)的芯片成本會很高昂，但習(xí)慣了售價(jià)數(shù)千乃至數(shù)萬美元的處理器的客戶并不會在意每塊處理器幾百美元的成本提升。芯片間信號通路改用光路后，大量芯片的聯(lián)合計(jì)算性能會成倍增長，同時(shí)總體能耗明顯下降，大大提高了服務(wù)器集群的效率。
未來
在Intel和IBM兩大巨頭的推動(dòng)下，硅光學(xué)技術(shù)很快就會在數(shù)據(jù)中心、超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域普及。不過在消費(fèi)級產(chǎn)業(yè)這項(xiàng)技術(shù)很難有用武之地：智能設(shè)備和PC本來就沒那么多芯片，自然也用不上高大上的芯片間光信號傳輸。新技術(shù)將更多以間接的形式影響我們的生活：未來云計(jì)算平臺的性能快速增長可以為普通用戶提供更快更好的信息服務(wù)，背后的功臣之一就是硅光學(xué)技術(shù)。在半導(dǎo)體工藝達(dá)到物理極限，革命性的新計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)之前，硅光學(xué)技術(shù)將負(fù)責(zé)填補(bǔ)空缺，盡可能延續(xù)摩爾定律。
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