硅光子技術(shù)：芯片間實現(xiàn)光傳輸

　關(guān)于在硅晶圓上實現(xiàn)光傳輸?shù)?ldquo;硅光子”技術(shù)，其實用化和研發(fā)的推進速度都超過了預(yù)期。其中，日本的進展尤其顯著。日本在高密度集成技術(shù)和調(diào)制器等的小型化方面世界領(lǐng)先，在CMOS兼容發(fā)光技術(shù)和光子結(jié)晶的開發(fā)方面的成果也震撼全球。硅光子技術(shù)的應(yīng)用范圍有望從目前的主要用途——電路板間的數(shù)據(jù)傳輸擴大到芯片間和芯片內(nèi)的傳輸。預(yù)計這方面的應(yīng)用將在2020年前后實現(xiàn)實用化。

　　“硅光子”已經(jīng)進入全面普及階段。利用該技術(shù)，各種光傳輸元件的大部分都可以通過CMOS技術(shù)集成到硅芯片上注1）。

　　注1）目前只有光源還需利用化合物半導(dǎo)體激光元件。

　　硅光子技術(shù)目前的主要用途是嵌在有源光纜（Active Optical Cable，AOC）*中的光收發(fā)器IC（圖1）。AOC在超級計算機、數(shù)據(jù)中心以及通信運營商的傳輸裝置領(lǐng)域的應(yīng)用迅速擴大，是用于板卡和設(shè)備高速連接的光纜。

　　圖1：光傳輸?shù)膽?yīng)用范圍將從板卡間擴大到芯片間，再到芯片內(nèi)。
 

　　本圖為最近和不久的將來的光傳輸導(dǎo)入領(lǐng)域。名為AOC（有源光纜）的服務(wù)器板卡間通信技術(shù)大部分都是利用硅光子技術(shù)的光傳輸。預(yù)計今后芯片間傳輸、CPU內(nèi)核間以及CPU內(nèi)核內(nèi)的全局布線等也將利用光傳輸。（攝影：（a）為美高森美公司（原卓聯(lián)半導(dǎo)體），（b）為Luxtera公司，（c）為阿爾特拉）

　　*AOC（Active Optical Cable）＝帶光收發(fā)器模塊的光纜。由于耐久性和可靠性高，在2008年前后，這種光纜在高性能計算機市場上的需求開始擴大。調(diào)查公司Global Information發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2011年AOC的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。該公司預(yù)測，2016年的銷量將達到78.6萬根，銷售額將擴大到1.75億美元。

　　硅光子之所以能在AOC用光收發(fā)器領(lǐng)域取得這樣的成績，是因為可以通過量產(chǎn)大幅降低成本，這與采用CMOS技術(shù)的半導(dǎo)體產(chǎn)品一樣。而以前的AOC采用的是基于化合物半導(dǎo)體的分立元件，價格較高。

　　以風(fēng)險公司為中心的市場將發(fā)生變化

　　開拓該用途的是美國加州理工學(xué)院成立的風(fēng)險企業(yè)Luxtera，以及同為風(fēng)險企業(yè)的Kotura公司。2008年前后開始量產(chǎn)的Luxtera于2012年2月宣布，“已售出100萬個單位通道傳輸容量為10Gbit/秒的光IC”。Kotura也于2013年2月宣布，“光IC的銷量較上年翻了一番、相當(dāng)于每月6萬通道”。從這些出貨量數(shù)據(jù)來看，這兩家公司的產(chǎn)品占了AOC市場的相當(dāng)大一部分注2）。

　　注2） Luxtera與飛思卡爾半導(dǎo)體和意法半導(dǎo)體開展合作，Kotura與甲骨文等企業(yè)在技術(shù)開發(fā)和制造方面開展合作。

　　不過，該市場將迎來巨大的變化。因為思科系統(tǒng)和英特爾等企業(yè)相繼涉足該市場。在今后將形成市場的100Gbit/秒傳輸容量的AOC中，預(yù)計硅光子將掌握主導(dǎo)權(quán)。

　　思科的動作非常迅速。該公司2012年2月斥資2.71億美元收購了風(fēng)險企業(yè)Lightwire，同年10月發(fā)布了基于硅光子技術(shù)的、支持100Gbit/秒的光收發(fā)器規(guī)格“Cisco CPAK”，2013年3月發(fā)布了安裝有該規(guī)格光收發(fā)器模塊的傳輸裝置。

　　英特爾也于2013年1月發(fā)布了采用硅光子技術(shù)的AOC，該產(chǎn)品支持臉書主導(dǎo)的數(shù)據(jù)中心行業(yè)標準“Open Compute Project”。

　　芯片間光傳輸大勢所趨

        預(yù)計硅光子市場今后還將日益擴大。肩負AOC“未來”的市場已經(jīng)初現(xiàn)端倪。AOC主要用于“電路板間”的大容量數(shù)據(jù)傳輸，而今后，電路板上的微處理器之間以及微處理器與存儲器之間等“芯片間”用途將實用化。IBM和英特爾現(xiàn)在正在推進開發(fā)，目標是將其用于2020年前后的超級計算機和服務(wù)器。

        圖2：光傳輸和電傳輸?shù)牡秃碾娏炕?cm為分界。
        如果傳輸距離在1cm以上，目前的光傳輸技術(shù)的耗電量小于電傳輸。光傳輸?shù)暮碾娏恐饕枪馐瞻l(fā)器的電光轉(zhuǎn)換以及光電轉(zhuǎn)換消耗的。最近大幅減小了光收發(fā)器的尺寸，因此耗電量也減小了。

　　光傳輸?shù)膽?yīng)用始于長距離通信，之后其用途擴大到了短距離通信，取代了電傳輸。在這一點上，采用硅光子的光傳輸也是一樣。預(yù)計將來微處理器內(nèi)部的“CPU內(nèi)核間”的數(shù)據(jù)傳輸也必須要利用硅光子技術(shù)。

　　最近，硅光子技術(shù)在芯片間的應(yīng)用有了眉目，這主要是因為，利用硅光子制作的光收發(fā)器的耗電量降低了。一般來說，電傳輸是距離越短，所需的電力越少，而光傳輸即使距離縮短，電力也不會降低太多。因此，二者以耗電量相同的傳輸距離為分界點區(qū)分使用。最近，利用硅光子的光傳輸和電傳輸在傳輸距離為1cm時的耗電量基本相同，因此，在比以前短很多的距離間也有望利用光傳輸（圖2）。

　　比如，2013年3月IBM利用硅光子技術(shù)開發(fā)出了耗電量為1pJ/bit的光收發(fā)器IC。預(yù)計電傳輸?shù)淖畹秃碾娏吭趥鬏斁嚯x為1cm時約為150fJ（0.15pJ）/bit（圖3）1）。雖然還有好幾倍的差距，但如果只限于光傳輸?shù)母黜椆δ?，耗電量比IBM的試制品小2、3位數(shù)的技術(shù)也已開發(fā)出來。

        在用途方面對硅光子光傳輸?shù)钠诖苍絹碓礁?。隨著以提高微處理器速度為目的的多核化和眾核化的推進，必須要大幅增加內(nèi)存帶寬和CPU內(nèi)核間的數(shù)據(jù)傳輸容量。但多核化會導(dǎo)致CPU內(nèi)核間的傳輸距離增長。而且，傳輸容量必須擴大到與內(nèi)核內(nèi)的全局布線相當(dāng)?shù)某潭取﹄妭鬏敹?，條件越來越苛刻。而對于正處于發(fā)展期的硅光子光傳輸，今后其耗電量還需要大幅降低。