硅光子技术初探解决传输瓶颈的终极技术

利用电信号充当传播信息的中介，是目前所有芯片技术的基础。电信号传输技术有易实现、技术要求低等特点，但是其传输速度存在瓶颈、抗干扰能力弱。尤其是它的传输速度，已经很难满足目前芯片技术发展对传输的需求了。就像人们在通信技术中大规模使用光纤替代铜缆那样，在芯片领域，科学家们也在考虑使用光代替电来传输信号。这就是硅光子技术，这项技术在几十年前被提出、十年前开始大规模发展，到今天已经初露曙光。

对芯片设计人员来说，现代芯片借助于工艺制程的进步，已经可以在有限的面积内容纳大量的计算单元。对诸如GPU这样的庞大的并行计算芯片来说，数千个ALU单元一起计算已经不再是什么稀罕的事情。此外，还有多核心CPU不断发展后带来的强大计算能力。对这些设备来说，计算能力似乎已经不再是瓶颈，此时另一个人们之前甚少关心的问题——数据传输能力，成为进一步提升计算能力的矛盾所在。

就像工厂和运输道路的关系那样。在比较早期的发展中，运输道路总是很快铺设完成，PC内的设备还不能很好地使用诸如PCI总线66MB/s的带宽。随着技术的进步，计算单元的发展速度越来越快，规模越来越大，PC内的总线已经很难赶上计算单元的发展。同样以GPU为例，GPU的显存带宽一直在上升，由于总线和存储芯片的限制，GPU不得不使用更高、更复杂的位宽来增加总带宽，这样的结果就是在数据收发部分使用了大量的晶体管来实现复杂的交叉互联系统。即使如此，芯片内的信息传输能力依旧没有本质的变化，更多的线路和更多的引脚，在有限度的提高信息传输速度的同时也大幅度增加了生产难度和使用成本。

除了芯片级的应用外，在芯片间的连接上，目前以电信号为主的布线技术也几乎发展到了极限。电信号传输速度目前依旧在GB/s级别徘徊，为了增加带宽，部分设备不得不将大把的电缆线并联用于增加带宽。这些大规模使用的线缆，一方面增加了设备维护的复杂性，降低了可靠性，又耗费了大量的电能——为了让信息高速、稳定地在线缆中传输，设计人员不得不使用很多纠错和验证技术，还必须得设计复杂的传输组件来管理电信号。如果说在诸如10P FLOPS计算能力的超级计算机上，用于信息传输的电能消耗尚可以接受的话，那么随后进一步发展到100PFLOPS甚至1000PFLOPS计算能力时（按照目前的发展速度，2020年超级计算机就会达到这样的计算水平），仅仅适用于信息传递的电能就非常令人震惊。大约十亿瓦的电能会被消耗在信息传输上，这相当于一个典型的核电站的发电量。更令人难以接受的是，这所有的电能都会以热量的形式在传输的过程中排出，因此需要设计相对应的散热设备以保证系统正常运行。

在长期发展后，电信号无论在芯片间还是在芯片内都成为了信息传递的阻碍，下一步应该用怎样的介质来传输信息呢？别着急，早在10年前，科学家们就开始考虑这个问题并做出了方向性的预示：光信号将替代电信号成为未来信息传输的主流技术。光传输技术已经在光缆通信甚至超级计算机数据传输这样的大型设备上得到了应用，但是如何小型化，如何和硅芯片结合在一起，目前依旧很不成熟。本文综合了业内目前对硅光子技术发展的前沿信息和内容，为大家带来新硅光子技术发展的前瞻性内容。

硅光子的发展情况 从小到大，从易到难

硅光子技术的发展遵循了“从小到大、从易到难”的发展过程。从目前的情况来看，硅光子传输技术并非没有任何应用。受限于体积等问题，目前只在对功耗体积不太敏感的有源光缆上大规模使用了硅光子技术。在芯片方面，眼下接近成功的应用是芯片间的硅光子传输技术，接下来则是芯片内核间的光传输技术，终的目的是成功研发内核间的硅光子技术，也就是光电混载芯片。

具体到技术研发中来看的话，在较大的体积中使用光传输技术时，功耗和材料都不会受到太过严格的限制，因此一些高效率的发光设备可以被有效采用。当光传输技术应用到芯片等设备上时，小型化和低功耗化就成为比较重要的问题。传统的光传输材料多采用砷化镓或者磷化铟等材质，尺寸大约在厘米或者毫米级。这样的尺寸可以使用在设备间的传输中，但依旧由于体积较大难以使用在芯片传输中。如果需要在芯片间使用，那么光传输材料的尺寸需要降低到微米级别。这样的研究从2005年开始大面积铺开后，已经卓有成效，目前的技术可以让光信号在传统的硅、锗等材料中被激发并正常传递。不过相对目前芯片的尺寸在纳米级别来说，微米级别依然显得比较落后。新的消息是光信号的布线已经能够进一步降低至纳米级别，几乎和芯片制造水平同步，为未来实现更成熟的芯片内光信号传输打下了基础。

在硅光子技术的发展中，由于技术难度大，资金投入多，因此依靠单一厂商全盘通吃已经非常困难，于是各国政府和厂商联合起来组成研究联盟。日本成立了名为P ECST（Photonics-Electronics Convergence System Technology）的组织，多个大学和厂商联合起来，对硅光子以及相关技术进行开发。美国则启动了OpSIS（Optoelectronics Systems Integration in Silicon）联盟，也是联合大学和部分厂商进行技术攻关，其中英特尔是项目出资方；此外，美国国防部还有UNIC（Ultraper formance Nanophotonic Intrachip Communication Program）项目联合斯坦福、加州大学以及一些厂商，集中进行硅光子的技术研究；欧盟也不甘落后，2008年成立了HELIOS（pHotonics Electronicsfunctional Integration on CMOSO ptoelectronics Systems Integration in Silicon）项目，其中包含了对硅光子技术的深入研究。除了这些有政府参与的公司外，诸如I B M这样财大气粗、技术领先的厂商，也有自己的开发项目，2006年IBM就启动了名为SNIPER（Silicon Nanoscale-Integrated Photonicand Electronic Ransc eiver）的项目，这个项目在硅光子技术的研发上有颇为强大的传输通道50条，总计达到1Tbit/s的数据传输速度。

总的来看，硅光子技术目前的发展是相当快速的。从十几年前提出到现在，科学家们先后解决了发光源、信号转换、信号传输以及和芯片混合使用等问题。下面，本文就向大家介绍目前硅光子发展中的一些新的技术和成就。

发光的材料才有用

对硅光子材料而言，怎么有光才是重要的问题。硅、锗等半导体材料在自然状态下是很难发光的材料。除此之外，科学家还需要考虑这些发光材料和目前的硅芯片相结合的问题。换句话来说，这些发光材料好能够在硅芯片的生产制造中直接使用，而不是试图在后期加入。因为对目前的工艺级别来说，如果人工操作在20nm左右的尺度上更改线路，那几乎是一件不可能完成的事情。

在硅光子发展的早期，出现两种不同的发展方向。其中以IBM为代表的厂商认为光源可以从芯片外部引入。在IBM的设想中，光源从芯片外部的DFB激光器发出，然后经过调制器后被引入芯片内部使用。这样的做法优势在于技术难度要求不高，没有要求使用在硅芯片上可发光的材料，仅从外部引入的话开发生产难度都不大。而且在工艺上的优势也很明显，外部发光可更有效地利用光源使其尽可能地驱动更多的模块。不过外部发光问题也很多，主要问题有两个，一个是光源的问题，光源数量比较难以控制。另外，调制器的存在使得光源的使用以及配置存在一定的难题。工艺生产上需要将光源和使用目标严格精确地对位，这也是比较难处理的。

芯片的尺寸很小，目前基本徘徊在纳米级别，如果光传输技术需要在芯片与芯片间应用，至少得缩小至微米级别，如果在芯片内应用，需要进一步缩减至纳米级别。图为28nm芯片截面图。

除了IBM外，英特尔认为好在芯片内部发光，使用特殊的材料，在硅芯片上实现自发光。英特尔初期考虑使用的是Ge-on-Si技术（硅上锗技术）来控制发光，这项技术的发明人是麻省理工学院。一般的传统意义认为，硅和锗属于能带结构为间接迁移型半导体（能发光的材料属于直接迁移型），属于不能发光的材料。当时英特尔实验室采用入射激光激励材料实现震荡，终制成了激光元件。与此同时，已经有部分研究指出使用电激励也可以发光，但是没有任何实际的证据。因此随后英特尔转向另外一种在硅芯片上粘接一些化合物，再催发这些化合物发光的新技术。这项技术使用难度比较低，应用特性也很诱人，比如不需要高精度对齐光轴，还可以通过改变硅导波路来改变波长等。但是如何将这种材料和硅有机地结合在一起，当时也没有任何有效的研究结果出现。

直到2012年，好消息终于传来。麻省理工学院在2012年发现通过高浓度的n型掺杂后，锗的能带会变成直接迁移型，在注入电流后就能实现激光震荡。这项技术被认为是一项彻底改变硅、锗等材料无法发光历史的全新技术。随后进一步的研究发现，如果掺杂到一定程度的话，那么发光效率会和目前的化合物半导体相当，硅和锗都能被当作发光材料使用。此外，日本一些大学诸如东京大学在研究使用其他的手段让硅发出光子，目前发光效率已经颇为可观，几乎达到了新型白色LED发光效率的1/3。在进一步研究后，红外激光在2015年发光效率可以超过10%，已经可以基本考虑用作商业用途了。

在这项突破性进展的消息爆出后，硅光子的发展被大大向前推动了一步。毕竟材料可以自发光，同为硅材料在未来的制造和生产中都会非常容易。在掺杂方面只需要调整工艺即可完成，不会有太明显的缺点。总的来说，在经过长达十几年的艰辛探索之后，发光材料和生产方面的问题，已经有比较明显的进步，接下来的问题就是，如何应用材料发出的光呢？

帮光修条安全的路

对电子的性质大家都了解得很清楚了，电子在导体中就能跑，并且总是希望去阻抗低的地方。但对于光来说，如何正确、安全地将光线送到需要的地方，还是个比较麻烦的问题。

通过n型掺杂，不发光的硅和锗也可以发出光亮。

目前材料的发光效率示意图

日本开发的两种新型硅光子调制器示意图

日本试制成功的硅光子芯片，带宽达到了6.6Tbps。

光在进入芯片后首先需要调试成为携带信息的光信号，因此需要调制器的存在。调制器的重要性仅次于发光部件，因为一旦调制器研发失败，那就意味着不能使用光来携带信息，所有的工作都会白费。好在调制器的研发进展一直比较顺利，在2011年的时候，就已经有厂商提出了三种调制器类型，分别是MZ调制器、环形调制器和电场吸收性调制器。这三种调制器各有千秋，比如MZ调制器性能比较好，工作频率超过30GHz，对温度不敏感，但是体积比较大。在2011年的时候MZ调制器体积小都有100微米，相比纳米级别的芯片电路而言，有点太大。其次还有环形谐振器，体积比较容易缩小，但是工作受到温度的影响比较大，目前依旧需要进行技术改进。还有一种电场吸收型的调制器，耗电小，容易小型化，但是需要用到锗甚至石墨烯等材料，因此制造起来有一定的难度。

这三种技术各有优缺点，目前比较有希望在芯片内使用的是环形调制器和电场吸收型调制器，前者虽然受到温度影响，不过正在开发中的温度补偿技术有希望解决这个问题；后者很容易小型化，只要很好地解决了生产难度的问题，相信也有机会成为芯片中的硅光子传输的好伙伴。

除了调制器外，光收发器也是比较受关注的部件。前文曾经提到，光在传输很远的距离时，衰减很小。这句话反过来的意思就是，即使用户传输很近的距离，需要的能量也和传输很远距离的能量相同，这其实是并不划算的，因为无论是芯片间还是芯片内的大部分数据传输都只是短距离的传输。因此，降低收发器在传输数据时的能耗就成为一个很重要的目标。目前的技术使得光收发器的功耗有明显降低，IBM的技术数据是：在传输距离为1cm时，传输1bi t的数据消耗能量大约为1000fJ，同样距离和数据的电传输消耗的能量是150fJ。也就是说，光传输目前比电传输能耗要大得多。但现在科学家已经发现了更优秀的做法，能将类似的光传输功耗至少降低到电传输的水平，甚至比电传输还要更低一些，这就确保了至少在功耗上，光传输不会比电传输劣势太多。

光传输即将登场

在诸如收发器、发光材料等部件都有一定的技术基础后，科学家们开始试验生产光传输芯片。目前比较成熟的产品有日本PECST联盟的光收发器芯片。这颗芯片的面积仅有1平方厘米，集成了526个光收发器，每个光收发器的速度约为12.5Gbps，单颗芯片的传输速度就高达6.6Tb/s，远远超出目前所有的同类型传输设备。尤其难能可贵的是，这样一颗光传输芯片的面积只有1平方厘米，生产上也基本上依靠现有的CMOS工艺就可以实现，难度要求并不高。

当然，这样的进步还不够，光传输设备还需要进一步缩小体积并终和硅芯片融合在一起。目前光收发器等设备还存在大幅度改进的可能性，未来有望缩小至几十微米级别，终有可能进入纳米级别。由于技术成熟度还不够高，目前的光传输在芯片内部的使用只是在理论上做出了大量的研究，而实际应用了该技术的产品还没有出现。此外，光传输还需要解决很多诸如材料、原理上的问题才能终被人们接受。不过从21世纪初到现在的近十年时间，硅光子技术已经大幅度进步，至少芯片间传输已经基本接近可用，进一步发展的芯片内光传输技术将彻底改变目前芯片发展的现状，使得数据传输不再成为瓶颈，大幅度提高芯片的效率。

对这个情况，无论是英特尔还是IBM这样的业界巨头都认识得非常清楚。英特尔在2010年就已经指出，多核和众核技术并非未来计算发展的难题，数据的转移才是问题的根本，大量数据的传输只有依靠硅光子技术才有希望全面提升速度。英特尔在硅光子上的首个布局是目前人们已经比较熟悉的“雷电”接口。目前雷电接口的设备使用的还是电信号，但是英特尔已经准备开始为雷电线缆提供光传输，随后英特尔还会考虑在板卡上使用光传输并在芯片内使用硅光子技术。

IBM早已经开始在大型服务器中使用光缆传输信息，在芯片和PCB的硅光子应用中也一直走在前列。这些科技巨头和公司、联盟的努力，一方面是为了抢占未来科技制高点，获取大量的市场利润，另一方面也是在孜孜不倦地探询技术发展的巅峰。在他们的引领下，人们才能使用到速度更快、价格更为合理的计算设备。

总的来看，目前硅光子技术的发展已经到了非常关键的阶段，随着发光源、调制器以及收发器等重要核心设备的相继突破，硅光子技术将有可能很快就应用在实际产品中。目前的技术距离后彻底将硅光子应用在芯片内部，也只有“一纸之隔”，谁先捅破了窗户纸，谁就能获得下一代技术优势。硅光子技术将彻底解决信息和数据传输中的瓶颈，大幅度、跨级别地提升计算设备的数据转移能力，这将为整个计算世界的变化带来颠覆性的影响。作为历史感受者和观察者的我们，只需要静静等待这个颠覆时刻的到来就好。