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硅光电子学:IT新曙光(组图)

发布时间:2016-03-14 09:40

  如果要问:什么技术让思科、富士通、英特尔、IBM、甲骨文这些在IT不同领域中称王称霸的厂商能够趣味相投?答案尽人皆知——云计算、大数据、移动互联网、社交网络,这是当下的产业热点。

  上述产业热点不仅让人们重新认识数据的价值,也让数据对计算资源的需求变得更为贪婪,而其中数据传输带宽已经成为计算性能提高的瓶颈。

  但要问这些厂商下一步的兴趣点在哪里?知道硅光电子学这个名词的人就不多了。未来,首先是云计算、大数据这样的后台应用,然后是移动互联网等个人计算设备都将与硅光电子学密不可分。

  事实上,从2004年英特尔实验室在《自然》杂志上发文宣布硅光电子学实质性的突破——1Gbps硅光调制器研制成功到今天,已经整整十年。这十年是硅光电子学逐步走向成熟的十年。

  在2013年5月庆祝以太网诞生40周年仪式上,博通公司创始人兼CTO Henry Samueli在接受媒体采访时表示,硅光电子学在网络交换中是一项非常重要的技术,因为现有的电子交换方式在功耗和用电成本上变得日益昂贵,因此,在超越Tbps时,硅光电子学将会变得很有意义。

  而作为计算厂商的甲骨文比网络厂商博通更加乐观,同样是在2013年,甲骨文硅光电子学首席技术专家A.V. Krishnamoorthy表示,未来五年内,所有的服务器都将在25Gbps或更快一点的速率上相互连接。

  最新的消息是今年6月中旬,美国《商业周刊》报道说,惠普实验室将其研发经费的75%投入到名为“机器”(The Machine)的下一代计算架构研发项目中。在这个大赌注中,将会有全新的操作系统、新型的内存和超快的总线/外设互连,而这一超快的互连就建立在硅光电子学基础之上。惠普告诉《商业周刊》,“机器”将会在未来几年内商品化。

  最后一块空地

  硅光电子学为什么会受到众多IT“大佬”的青睐?或许从计算技术的发展历程中能够找到答案,某种意义上说,回顾历史不失为展望未来的一种切实可行的方式。

  1946年2月,全球第一台多用途电子计算机ENIAC诞生于美国宾夕法尼亚大学。从外观上看,ENIAC堪称“巨型”机,它占地170平方米、重达30吨,由约1.75万只电子管构成的,耗电高达150千瓦,但每秒只能运行5000次的加法运算。

  到了1981年8月,IBM推出个人电脑IBM 5150,采用的是主频4.77MHz的英特尔16位8088处理器,内存640KB,性能已经远远超过ENIAC,而重量不足12公斤,功耗只有100多瓦。

  如今,人们使用的智能手机已经是32位的多路处理器,主频数以GHz计,其性能、功耗、体积和成本都让当年的PC望尘莫及。

  计算性能的不断提升、计算成本的不断下降、计算设备体积的不断缩小,三股力量并驾齐驱,推动着计算技术的迅速发展,进而推动人类社会进入信息时代。而集成电路技术,更确切地说,是在计算领域几乎一统天下的CMOS工艺(互补型金属氧化物半导体)为代表的硅半导体技术在其中扮演着“第一推动力”的角色。在计算领域,CMOS工艺几乎成为半导体技术的代名词,这是因为CMOS工艺将硅半导体优异的性能与大规模的生产完美地结合在一起。事实上,在多种半导体材料与工艺中,只有CMOS工艺严格遵循摩尔定律。

  历史上,半导体技术的每一次重大进步都对计算领域产生深刻的影响。

  计算上,铜互连、绝缘体上硅(SoI)、3D晶体管等半导体技术和超标量、超线程、多核等处理器新技术不断推高计算的性能,片上系统(SoC)又使得计算系统体积不断缩小、可靠性不断提升、成本不断下降。

  而存储上,在半导体存储技术替代早期的磁芯存储后,从最初的动态随机存储器(DRAM)到静态随机存储器(SDRAM)、闪存(Flash),半导体技术一统内存天下。除了性能优势外,成本这一半导体技术的另一优势,在存储领域也得到充分的彰显。在基于Flash技术的固态硬盘(SSD)成本不断下降,为更多人所接受之后,半导体技术开始侵占以磁存储技术主导的硬盘市场;也正是得益于成本的下降,内存计算才能将硬盘从计算中排挤出去。

  作为信息处理中计算、存储和传输三大组成部分之一的传输领域,半导体技术主导无线传输领域早已是不争的事实,但在有线传输领域,除了各式各样的铜缆外,还有高端的光纤。尽管光传输较之电传输在带宽上具有绝对的优势,但将电信号调制到光波的电光转换和从光波中解调出电信号的光电转换,仍需要专用的光电转换器。其核心光电转换器件采用的是砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)半导体器件,因而成本较高,大都应用于高性能计算、数据中心等对网络速度要求苛刻的领域。而基于CMOS工艺的硅半导体技术所具有的成本与体积优势,在这一领域尚未展露出来。

  如今,半导体技术正在填补其包括计算、存储与传输在内的信息处理架构中最后一块空白——光纤数据传输,确切地说,填补这一空白的是硅光电子学。

硅光电子学:IT新曙光(组图)

硅光电子学:IT新曙光(组图)

  挟光电结合之威

  硅光电子学于IT产业的价值绝不仅仅限于填补硅技术在有线传输领域的空白。

  当我们再一次回顾计算的历史时,不禁对摩尔定律的神奇,肃然起敬。从1965年还在仙童公司的高登·摩尔发现了摩尔定律到今天,已经49个年头了。在这近半个世纪中,摩尔定律精准地规范着集成电路的发展。

  摩尔定律从诞生到现在,只在1975年进行了一次修正,即从当初的“芯片上晶体管的集成度大约每18个月提高1倍”,调整到“每24个月提高1倍”。而英特尔的钟摆战略,即奇数年推出新的工艺,偶数年推出新的架构,其工艺进步周期为两年,正好与摩尔定律的24个月工艺进步周期相吻合。

  摩尔定律的下一次修改,或者说最终改动,将会出现在十余年之后。根据半导体领域权威机构国际半导体发展蓝图(ITRS)2013年发布的报告,,到2028年,用于高性能处理器的集成电路制程技术将达到5nm。这通常被认为是半导体工艺的理论极限,因为受制于量子效应,制程难以进一步缩小。

  作为半导体产业的领导者,英特尔对制程技术研发的不遗余力,使其制程技术领先ITRS公布的国际半导体技术平均水平。以14nm制程为例,英特尔预计的推出时间为2015年,而ITRS给出的时间为2017年,这意味着英特尔将于2016年触及硅半导体工艺极限。

  也就是说,12年或者至多14年之后,持续60余年,通过制程改进来提升处理器计算性能的方式将会淡出,或者说摩尔定律进入失效期。

  另一方面,光计算、量子计算、生物计算等非硅计算仍遥不可及。那么,如何满足人们对计算性能的迫切需求似乎成为一个问题。

  事实上,人们大可不必为此担忧。在单核处理器时代,制程成为提高芯片性能的主要手段。当处理器进入多核时代,增加处理器的内核数成为提高芯片性能的另一种有效途径。现实中,人们也看到并行计算时代处理器内核、处理器乃至服务器数量的横向扩张,对计算性能的提升要比单纯提高芯片制程技术来得更为有效。

  然而,并行计算中,无论是处理器的并行还是系统的并行,都需要网络互连来传输数据。因而,传输带宽这一计算系统的传统瓶颈,在并行计算中显得更为突出。

  尽管光传输技术具有高带宽、低功耗、高抗干扰等独特的性能优势,但其不菲的成本也只有高性能计算、数据中心等高端用户能够承受。

  刚刚浮出水面的硅光电子学,正是将光传输的技术优势与CMOS工艺所具有的规模生产优势相结合,通过显著降低成本和体积,以及有效提高可靠性,促进光传输技术向中低端计算市场普及。

  然而,硅光电子学更大的价值不仅在于实现计算系统之间的互连,而且可以实现计算系统内部板卡之间的互连,乃至芯片之间甚至芯片内部的互连,弥补了数据传输这一短板,这在并行计算时代尤为重要。

  千万不要低估带宽的价值。从2G到3G,移动通信完成了从窄带到宽带的跨越。相应地,移动通信市场也完成了由摩托罗拉、诺基亚等传统手机厂商主导,到由苹果、谷歌等计算厂商主导的切换。

  而互联网的高速发展与对社会产生的深刻影响,也与带宽密切相关。

  在网络领域与摩尔定律齐名的吉尔德定律指出,主干网带宽的增长速度至少是运算性能增长速度的3倍。主干网带宽的持续增长意味着网络用户的使用费用不断降低,并催生出大量新的网络应用。吉尔德定律道出了互联网高速发展的真谛。

  而带宽急剧增加带来的应用与用户的繁荣,又印证了迈特卡尔定律,即网络的价值与网络使用者数量的平方成正比。由此,带宽与对社会的深刻影响便关联起来。

  从带宽意义上看,说硅光电子学是计算技术发展史上继晶体管替代电子管、集成电路替代晶体管之后第三次深刻的变革,可能并不为过。

  硅光电子学的前世今生

  英特尔第二任CEO摩尔的大名如雷贯耳,第三任CEO格鲁夫的名字也耳熟能详,但其第一任CEO诺伊斯对集成电路技术的贡献,可能无人出其右。

  1958年夏,德州仪器的工程师基尔比发明了世界上第一块锗集成电路。数月之后,仙童公司工程师诺伊斯独立地研制成功平面工艺的硅集成电路。尽管基尔比因为集成电路的发明而获得诺贝尔物理学奖,但其所发明的集成电路工艺从来没有被付诸生产。

  而诺伊斯发明的平面工艺,使用的是扩散技术。甚至到了今天,集成电路依旧采用的是诺伊斯发明的平面工艺,即便是德州仪器也是从诺伊斯而非基尔比的发明中获益。

  从材料上看,与锗相比,硅具有漏电少、温度稳定性高、原料丰富等诸多优势,而平面工艺通过光刻技术可以不断缩小加工线宽(制程技术)同时易于大规模生产,前者使得集成电路速度不断提升,后者则让成本不断下降。而后来低功耗CMOS技术的引入,更让硅平面工艺如虎添翼。

  受集成电路的启发,人们开始在光学领域进行集成光路的探索。但是集成电路中的晶体三极管和二极管最终都可以分解为PN结这一最简单的半导体单元,或者从工艺上说,集成电路上所有的三极管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件都可以通过光刻与掺杂扩散等方式实现。相形之下,光路中的光学器件种类繁多,且各自独立。因此,集成光路在尺寸、连接方式、元器件可靠性、制造工艺等方面还面临诸多挑战。

  与此同时,利用成熟的硅工艺与光技术的结合,也就成为应对上述挑战的一种技术路径的尝试。

  然而,受硅材料自身物理性能的限制,在1962年半导体激光器发明后的几十年里,硅基激光器的实现依旧被誉为是世界性的难题。

  虽然硅光电子学的设想在上个世纪90年代就提出了,但直到2004年2月,英特尔研制成功1Gbps的硅光调制器,才标志着徘徊多年的硅光电子学研究,取得了突破性的进展。2005年2月,英特尔研制成功连续波硅拉曼激光器。同年3月,英特尔又将硅光调制器的带宽提升到10Gbps。2006年9月,英特尔与加州大学圣塔芭芭拉分校联合宣布研制成功电泵浦硅基拉曼激光器,这是硅光电子学至关重要的突破。

  英特尔在上述两年多时间内取得的一系列的技术突破,证明了硅是一种可行的光学材料,硅光电子学这一技术路线的选择是正确的,因为硅光子技术与CMOS工艺完全兼容,使得CMOS技术得以实现光学元器件的等效功能并将其集成之。

  之后的2007年8月,英特尔又推出40Gbps PIN光电探测器。到了2008年12月,英特尔又用雪崩光电探测器进一步将性能提高到340GHz增益带积。2014年3月,英特尔利用其MXC互连技术,在一根MXC光缆中放置了64根光纤,每根光线的传输速率为24Gbps,因而使得总传输速率达到1.6Tbps。

  硅光电子学是用CMOS工艺在硅基片上实现原有光学元器件的功能,而非原有光学元器件在物理尺寸上的微缩。因此,硅光电子学在工艺实现上充满了奇思妙想,而CMOS工艺所具有的纳米级制程、规模化生产、高良率、低成本等优秀特质与光子学的优势相结合,又为硅光电子学开拓了广泛的应用空间。

  分羹硅光电子学

  硅光电子学早期研究的高风险和潜在的广泛应用,正对DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency 美国国防部先进研究项目局)的胃口。因此,DARPA资助斯坦福大学,麻省理工学院,加州大学的伯克利分校、圣塔芭芭拉分校,波士顿大学等众多大学,以及包括Sun、Luxtera、Kotari等企业在硅光电子学领域进行研究。

  大学在早期硅光电子学的基础研究中扮演着重要角色,2006年硅光电子学领域最重要的突破——硅基拉曼激光器,就是圣塔芭芭拉分校与英特尔联合研究的成果。

  时到今日,硅光电子学开始走向成熟,因而吸引了众多厂商的关注与参与。

硅光电子学:IT新曙光(组图)

硅光电子学:IT新曙光(组图)

  2012年12月,IBM宣布其在硅纳米光子学领域取得新的突破。IBM称该项突破容许在单一硅芯片上,采用90纳米CMOS工艺,将并排放置的不同的光学器件与电路集成在一起,从而实现了每个通道超过25Gbps的速率。IBM认为,硅纳米光电子学通过无缝地连接各种大型系统,来满足诸如大数据这样的海量数据的实时处理和分析。

  IBM高级副总裁兼研究院总监John Kelly表示:“这项技术的突破是IBM十年以上前沿研究的成果。”

  从CMOS工艺实现上看,IBM称之为硅纳米光子器件,应该是硅光电子学的不同称谓。尽管IBM在新闻稿中谈到的光学器件包括波分复用器(WDM)、调制器和探测器,但却未谈及硅光电子学中最为核心的硅基激光器。

  虽然甲骨文在硬件领域的专长主要是服务器和存储,并不涉及网络。但作为高端软硬件供应商,甲骨文是不会放过硅光电子学给数据中心带来的潜在的变革。甲骨文自己的硅光电子学研发主要是源于之前收购的Sun公司。Sun在2004年开始硅光电子学领域的研究,并且从2008年开始,成为DARPA在光子学领域的合作伙伴。

  甲骨文的Krishnamoorthy去年10月对外界表示,硅光电子学是甲骨文帮助数据中心和私有云与公有云满足未来计算需求所做的更大努力中的一部分。

  除了自己研发外,甲骨文还强调与Kotura、Luxtera等工业伙伴进行合作,以及与斯坦福大学、加州大学的圣地亚哥分校和戴维斯分校等大学的合作。

  在有的厂商宣称已经在硅光电子学技术上取得重大突破并将计划商业化,或者将目标市场定位于系统之间的互连时,富士通已经在商用上进行了超前的尝试。

  2013年11月,富士通与英特尔联合演示了全球首台基于英特尔OPCIe(光学PCIe)总线互连的服务器。其中OPCIe所用的硅光电子学芯片和光缆均由英特尔研发。

  而在同年3月,富士通实验室宣布开发用于处理器内部数据传输的4波长集成硅基激光器。富士通表示,最近几年,超级计算机和高端服务器的处理器速度大约每18个月翻番,到了2018年,高容量数据传输技术将会用来支持每秒数个Tb速度的数据输入与输出。届时,必须考虑使用光来对处理器进行互连。

  网络巨头思科由于没有相关技术储备,只好在2010年2月宣布花费2.7亿美元收购了位于美国宾夕法尼亚州的硅光电子学新兴公司Lightwire,并于2012年3月完成收购。1年以后,思科宣布推出100Gbps硅光电子收发器,并将其用于思科的多业务传输平台Cisco ONS 15454 MSTP上。

  以色列的Mellanox是高速网络互连技术Infiniband的领先厂商。面对硅光电子学的来袭也坐不住了。在2013年5月宣布以8200万美元现金收购硅光电子学厂商Kotura。 Mellanox 总裁兼CEO Eyal Waldman对此表示:“我们认为在100Gbps的Infiniband和以太网解决方案研发中,硅光电子学是非常重要的组成部分。收购Kotura将使我们在低成本与高密度的100Gbps和更快的互连解决方案的竞争中处于更有利的位置。”

  当微软从软件厂商转型为设备+服务厂商后,其已兼具硬件角色并拥有规模上全球屈指可数的数据中心,由此微软理应对硅光电子学产生浓厚的兴趣,但微软除了参加诸如云计算架构Rack Scale或者英特尔用于硅光电子学的MXC光缆组织外,有关硅光电子学领域的研发,还停留在在微软研究院的论文上。

  ARM模式能够复制吗?

  作为硅光电子学领域领先厂商,英特尔推动硅光电子学发展的模式与其在PC领域的行为模式基本相符。在PC领域,英特尔力主推动开放的标准,通过开放标准来确立自己的平台领导者地位,比如说早期通过推广开放的PCI总线来替代IBM私有的微通道总线,进而成为PC平台的领导者,但对于处理器这一计算产业的核心技术,英特尔迄今尚未开放。

  而在硅光电子学领域,英特尔也推出了开放的OPCIe总线。与在PC市场的做法一致,英特尔从未表示过开放硅光电子学芯片技术。由于硅光电子学芯片较之硅芯片,涉及多种半导体材料和更加复杂的制造工艺。因此,硅光电子学芯片市场的进入门槛就更高

  然而,一家位于南加州圣地亚哥附近的Luxtera公司,早在2001年成立时就专注于硅光电子学领域,并从2005年之后,其产品性能屡次刷新业界记录。但在外界看来,Luxtera仍鲜为人知。

  直到2012年1月,Luxtera一举成名。当时,Luxtera宣布其CMOS硅光电子学芯片制程及其器件库向OpSIS社区开放,使得多家厂商在基于Luxtera硅光电子学芯片技术进行研发流片时,可以共享一个200毫米圆片,从而大大降低了客户基于Luxtera硅光电子学IP进行芯片研发的费用。

  1个多月后,Luxtera宣布与全球一流的半导体制造商意法半导体合作,将其在硅光电子学领域领先的IP(芯片知识产权)和知识与意法半导体位于法国克洛尔市的300毫米生产线的工艺相结合,双方共同为硅光电子学市场提供最先进的低功耗、高密度的器件和解决方案。

  Luxtera总裁兼CEO Greg Young说得更为直接:双方的合作就是为了扩展硅光电子学的生态环境。

  其实,Luxtera开放IP的商业模式与ARM开放处理器内核IP的商业模式很相近。如果说有所不同的话:一是Luxtera面对的是几乎空白的广阔市场,而ARM则是后发制人;二是Luxtera通过向OpSIS开放,显著降低了客户的芯片研发费用。换句话说,与ARM相比,Luxtera所处的市场位置更为有利。

  就像英特尔十多年前曾经亮出“扩展摩尔定律”的理念,试图将PC市场的成功复制到移动市场,以至于在2006年不得不作出放弃移动市场的决策。同样,ARM在移动市场的成功是否能复制到硅光电子学领域,也有待市场的验证。

  但有一点是肯定的,这就是硅光电子学市场刚刚浮出水面,英特尔已经有了棋力相当的对手。

  链接 有关激光

  激光无疑是20世纪最重要的发明之一。没有激光就没有现代通信业,互联网自然也就无从谈起。随着网络在现代社会中地位的不断提升,激光的价值也在不断地增值。

  说到激光,就不能不提及爱因斯坦。而提到爱因斯坦,人们马上会跟相对论联系在一起。然而,爱因斯坦却是因为在光电效应方面的卓越贡献,荣获1921年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦发现原子中处于较高能级(激发态)的电子,将会自发地跃迁到较低能级(基态),同时发出一个光子,电子在跃迁过程中释放的能量为激发态与基态这两个能级之差,也等于光子的频率与普朗克常数的乘积。由于这种辐射与外界无关,所以又称为自发辐射。

  由于普朗克常数为一恒定值,所以,光子的频率仅与原子的能级相关。又因为同种原子的能级结构是固定的,因此,位于相同激发态的电子跃迁时发出的光子的频率是固定的,这种单一波长在光学上被称之为单色性;而不同种类的原子由于能级结构的差异,决定了电子跃迁时发出的频率有所不同。

  1960年,美国物理学家梅曼通过对闪光灯对红宝石棒进行照射,并从红宝石棒产生激光,这也是人类第一次获得激光。

  与自发辐射不同的是,激光利用的是受激辐射,即通过外部辐射的方式,将原子、分子或者离子之中处于基态或者低能级的电子激发(泵浦)到较高能级上,当大量的电子从高能级跃迁时,就会发出相同频率的光。以红宝石固体激光为例,激光工作物质红宝石棒放置在由一个全反射平面镜和一个部分反射平面镜平行放置而构成的谐振腔中,从红宝石棒发出的激光在谐振腔中往复振荡,只有那些与谐振腔同轴的光子,才能通过部分反射镜发射出去。

  1962年,通用电气的Robert N. Hall与IBM的Marshall Nathan分别领导的研究团队演示了砷化镓半导体激光器,同年迟些时候,通用电气的另一位研究人员Nick Holonyak发明了可见光半导体激光器,也就是如今被广泛用于DVD、激光打印机等上的激光二极管。

  如今,半导体激光器就其工作物质而言,主要有砷化镓、磷化铟、硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)等。但却难以见到硅基半导体激光器的踪影,究其原因,是因为硅所具有的能带结构决定了硅自身是一个弱的发光材料。



本文编号:33619

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