挾光電結合之威

硅光電子學于IT產業(yè)的價值絕不僅僅限于填補硅技術在有線傳輸領域的空白。

當我們再一次回顧計算的歷史時，不禁對摩爾定律的神奇，肅然起敬。從1965年還在仙童公司的高登·摩爾發(fā)現了摩爾定律到今天，已經49個年頭了。在這近半個世紀中，摩爾定律精準地規(guī)范著集成電路的發(fā)展。

摩爾定律從誕生到現在，只在1975年進行了一次修正，即從當初的“芯片上晶體管的集成度大約每18個月提高1倍”，調整到“每24個月提高1倍”。而英特爾的鐘擺戰(zhàn)略，即奇數年推出新的工藝，偶數年推出新的架構，其工藝進步周期為兩年，正好與摩爾定律的24個月工藝進步周期相吻合。

摩爾定律的下一次修改，或者說最終改動，將會出現在十余年之后。根據半導體領域權威機構國際半導體發(fā)展藍圖(ITRS)2013年發(fā)布的報告，到2028年，用于高性能處理器的集成電路制程技術將達到5nm。這通常被認為是半導體工藝的理論極限，因為受制于量子效應，制程難以進一步縮小。

作為半導體產業(yè)的領導者，英特爾對制程技術研發(fā)的不遺余力，使其制程技術領先ITRS公布的國際半導體技術平均水平。以14nm制程為例，英特爾預計的推出時間為2015年，而ITRS給出的時間為2017年，這意味著英特爾將于2016年觸及硅半導體工藝極限。

也就是說，12年或者至多14年之后，持續(xù)60余年，通過制程改進來提升處理器計算性能的方式將會淡出，或者說摩爾定律進入失效期。

另一方面，光計算、量子計算、生物計算等非硅計算仍遙不可及。那么，如何滿足人們對計算性能的迫切需求似乎成為一個問題。

事實上，人們大可不必為此擔憂。在單核處理器時代，制程成為提高芯片性能的主要手段。當處理器進入多核時代，增加處理器的內核數成為提高芯片性能的另一種有效途徑?，F實中，人們也看到并行計算時代處理器內核、處理器乃至服務器數量的橫向擴張，對計算性能的提升要比單純提高芯片制程技術來得更為有效。

然而，并行計算中，無論是處理器的并行還是系統(tǒng)的并行，都需要網絡互連來傳輸數據。因而，傳輸帶寬這一計算系統(tǒng)的傳統(tǒng)瓶頸，在并行計算中顯得更為突出。

盡管光傳輸技術具有高帶寬、低功耗、高抗干擾等獨特的性能優(yōu)勢，但其不菲的成本也只有高性能計算、數據中心等高端用戶能夠承受。

剛剛浮出水面的硅光電子學，正是將光傳輸的技術優(yōu)勢與CMOS工藝所具有的規(guī)模生產優(yōu)勢相結合，通過顯著降低成本和體積，以及有效提高可靠性，促進光傳輸技術向中低端計算市場普及。

然而，硅光電子學更大的價值不僅在于實現計算系統(tǒng)之間的互連，而且可以實現計算系統(tǒng)內部板卡之間的互連，乃至芯片之間甚至芯片內部的互連，彌補了數據傳輸這一短板，這在并行計算時代尤為重要。

千萬不要低估帶寬的價值。從2G到3G，移動通信完成了從窄帶到寬帶的跨越。相應地，移動通信市場也完成了由摩托羅拉、諾基亞等傳統(tǒng)手機廠商主導，到由蘋果、谷歌等計算廠商主導的切換。

而互聯(lián)網的高速發(fā)展與對社會產生的深刻影響，也與帶寬密切相關。

在網絡領域與摩爾定律齊名的吉爾德定律指出，主干網帶寬的增長速度至少是運算性能增長速度的3倍。主干網帶寬的持續(xù)增長意味著網絡用戶的使用費用不斷降低，并催生出大量新的網絡應用。吉爾德定律道出了互聯(lián)網高速發(fā)展的真諦。

而帶寬急劇增加帶來的應用與用戶的繁榮，又印證了邁特卡爾定律，即網絡的價值與網絡使用者數量的平方成正比。由此，帶寬與對社會的深刻影響便關聯(lián)起來。

從帶寬意義上看，說硅光電子學是計算技術發(fā)展史上繼晶體管替代電子管、集成電路替代晶體管之后第三次深刻的變革，可能并不為過。

硅光電子學的前世今生

英特爾第二任CEO摩爾的大名如雷貫耳，第三任CEO格魯夫的名字也耳熟能詳，但其第一任CEO諾伊斯對集成電路技術的貢獻，可能無人出其右。

1958年夏，德州儀器的工程師基爾比發(fā)明了世界上第一塊鍺集成電路。數月之后，仙童公司工程師諾伊斯獨立地研制成功平面工藝的硅集成電路。盡管基爾比因為集成電路的發(fā)明而獲得諾貝爾物理學獎，但其所發(fā)明的集成電路工藝從來沒有被付諸生產。

而諾伊斯發(fā)明的平面工藝，使用的是擴散技術。甚至到了今天，集成電路依舊采用的是諾伊斯發(fā)明的平面工藝，即便是德州儀器也是從諾伊斯而非基爾比的發(fā)明中獲益。

從材料上看，與鍺相比，硅具有漏電少、溫度穩(wěn)定性高、原料豐富等諸多優(yōu)勢，而平面工藝通過光刻技術可以不斷縮小加工線寬(制程技術)同時易于大規(guī)模生產，前者使得集成電路速度不斷提升，后者則讓成本不斷下降。而后來低功耗CMOS技術的引入，更讓硅平面工藝如虎添翼。

受集成電路的啟發(fā)，人們開始在光學領域進行集成光路的探索。但是集成電路中的晶體三極管和二極管最終都可以分解為PN結這一最簡單的半導體單元，或者從工藝上說，集成電路上所有的三極管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件都可以通過光刻與摻雜擴散等方式實現。相形之下，光路中的光學器件種類繁多，且各自獨立。因此，集成光路在尺寸、連接方式、元器件可靠性、制造工藝等方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。

與此同時，利用成熟的硅工藝與光技術的結合，也就成為應對上述挑戰(zhàn)的一種技術路徑的嘗試。

然而，受硅材料自身物理性能的限制，在1962年半導體激光器發(fā)明后的幾十年里，硅基激光器的實現依舊被譽為是世界性的難題。

雖然硅光電子學的設想在上個世紀90年代就提出了，但直到2004年2月，英特爾研制成功1Gbps的硅光調制器，才標志著徘徊多年的硅光電子學研究，取得了突破性的進展。2005年2月，英特爾研制成功連續(xù)波硅拉曼激光器。同年3月，英特爾又將硅光調制器的帶寬提升到10Gbps。2006年9月，英特爾與加州大學圣塔芭芭拉分校聯(lián)合宣布研制成功電泵浦硅基拉曼激光器，這是硅光電子學至關重要的突破。

英特爾在上述兩年多時間內取得的一系列的技術突破，證明了硅是一種可行的光學材料，硅光電子學這一技術路線的選擇是正確的，因為硅光子技術與CMOS工藝完全兼容，使得CMOS技術得以實現光學元器件的等效功能并將其集成之。

之后的2007年8月，英特爾又推出40Gbps PIN光電探測器。到了2008年12月，英特爾又用雪崩光電探測器進一步將性能提高到340GHz增益帶積。2014年3月，英特爾利用其MXC互連技術，在一根MXC光纜中放置了64根光纖，每根光線的傳輸速率為24Gbps，因而使得總傳輸速率達到1.6Tbps。

硅光電子學是用CMOS工藝在硅基片上實現原有光學元器件的功能，而非原有光學元器件在物理尺寸上的微縮。因此，硅光電子學在工藝實現上充滿了奇思妙想，而CMOS工藝所具有的納米級制程、規(guī)?；a、高良率、低成本等優(yōu)秀特質與光子學的優(yōu)勢相結合，又為硅光電子學開拓了廣泛的應用空間。

分羹硅光電子學

硅光電子學早期研究的高風險和潛在的廣泛應用，正對DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency 美國國防部先進研究項目局)的胃口。因此，DARPA資助斯坦福大學，麻省理工學院，加州大學的伯克利分校、圣塔芭芭拉分校，波士頓大學等眾多大學，以及包括Sun、Luxtera、Kotari等企業(yè)在硅光電子學領域進行研究。

大學在早期硅光電子學的基礎研究中扮演著重要角色，2006年硅光電子學領域最重要的突破——硅基拉曼激光器，就是圣塔芭芭拉分校與英特爾聯(lián)合研究的成果。

時到今日，硅光電子學開始走向成熟，因而吸引了眾多廠商的關注與參與。

2012年12月，IBM宣布其在硅納米光子學領域取得新的突破。IBM稱該項突破容許在單一硅芯片上，采用90納米CMOS工藝，將并排放置的不同的光學器件與電路集成在一起，從而實現了每個通道超過25Gbps的速率。IBM認為，硅納米光電子學通過無縫地連接各種大型系統(tǒng)，來滿足諸如大數據這樣的海量數據的實時處理和分析。

IBM高級副總裁兼研究院總監(jiān)John Kelly表示：“這項技術的突破是IBM十年以上前沿研究的成果。”

從CMOS工藝實現上看，IBM稱之為硅納米光子器件，應該是硅光電子學的不同稱謂。盡管IBM在新聞稿中談到的光學器件包括波分復用器(WDM)、調制器和探測器，但卻未談及硅光電子學中最為核心的硅基激光器。

雖然甲骨文在硬件領域的專長主要是服務器和存儲，并不涉及網絡。但作為高端軟硬件供應商，甲骨文是不會放過硅光電子學給數據中心帶來的潛在的變革。甲骨文自己的硅光電子學研發(fā)主要是源于之前收購的Sun公司。Sun在2004年開始硅光電子學領域的研究，并且從2008年開始，成為DARPA在光子學領域的合作伙伴。

甲骨文的Krishnamoorthy去年10月對外界表示，硅光電子學是甲骨文幫助數據中心和私有云與公有云滿足未來計算需求所做的更大努力中的一部分。

除了自己研發(fā)外，甲骨文還強調與Kotura、Luxtera等工業(yè)伙伴進行合作，以及與斯坦福大學、加州大學的圣地亞哥分校和戴維斯分校等大學的合作。

在有的廠商宣稱已經在硅光電子學技術上取得重大突破并將計劃商業(yè)化，或者將目標市場定位于系統(tǒng)之間的互連時，富士通已經在商用上進行了超前的嘗試。

2013年11月，富士通與英特爾聯(lián)合演示了全球首臺基于英特爾OPCIe(光學PCIe)總線互連的服務器。其中OPCIe所用的硅光電子學芯片和光纜均由英特爾研發(fā)。

而在同年3月，富士通實驗室宣布開發(fā)用于處理器內部數據傳輸的4波長集成硅基激光器。富士通表示，最近幾年，超級計算機和高端服務器的處理器速度大約每18個月翻番，到了2018年，高容量數據傳輸技術將會用來支持每秒數個Tb速度的數據輸入與輸出。屆時，必須考慮使用光來對處理器進行互連。

網絡巨頭思科由于沒有相關技術儲備，只好在2010年2月宣布花費2.7億美元收購了位于美國賓夕法尼亞州的硅光電子學新興公司Lightwire，并于2012年3月完成收購。1年以后，思科宣布推出100Gbps硅光電子收發(fā)器，并將其用于思科的多業(yè)務傳輸平臺Cisco ONS 15454 MSTP上。

以色列的Mellanox是高速網絡互連技術Infiniband的領先廠商。面對硅光電子學的來襲也坐不住了。在2013年5月宣布以8200萬美元現金收購硅光電子學廠商Kotura。 Mellanox 總裁兼CEO Eyal Waldman對此表示：“我們認為在100Gbps的Infiniband和以太網解決方案研發(fā)中，硅光電子學是非常重要的組成部分。收購Kotura將使我們在低成本與高密度的100Gbps和更快的互連解決方案的競爭中處于更有利的位置。”

當微軟從軟件廠商轉型為設備+服務廠商后，其已兼具硬件角色并擁有規(guī)模上全球屈指可數的數據中心，由此微軟理應對硅光電子學產生濃厚的興趣，但微軟除了參加諸如云計算架構Rack Scale或者英特爾用于硅光電子學的MXC光纜組織外，有關硅光電子學領域的研發(fā)，還停留在在微軟研究院的論文上。

ARM模式能夠復制嗎?

作為硅光電子學領域領先廠商，英特爾推動硅光電子學發(fā)展的模式與其在PC領域的行為模式基本相符。在PC領域，英特爾力主推動開放的標準，通過開放標準來確立自己的平臺領導者地位，比如說早期通過推廣開放的PCI總線來替代IBM私有的微通道總線，進而成為PC平臺的領導者，但對于處理器這一計算產業(yè)的核心技術，英特爾迄今尚未開放。

而在硅光電子學領域，英特爾也推出了開放的OPCIe總線。與在PC市場的做法一致，英特爾從未表示過開放硅光電子學芯片技術。由于硅光電子學芯片較之硅芯片，涉及多種半導體材料和更加復雜的制造工藝。因此，硅光電子學芯片市場的進入門檻就更高

然而，一家位于南加州圣地亞哥附近的Luxtera公司，早在2001年成立時就專注于硅光電子學領域，并從2005年之后，其產品性能屢次刷新業(yè)界記錄。但在外界看來，Luxtera仍鮮為人知。

直到2012年1月，Luxtera一舉成名。當時，Luxtera宣布其CMOS硅光電子學芯片制程及其器件庫向OpSIS社區(qū)開放，使得多家廠商在基于Luxtera硅光電子學芯片技術進行研發(fā)流片時，可以共享一個200毫米圓片，從而大大降低了客戶基于Luxtera硅光電子學IP進行芯片研發(fā)的費用。

1個多月后，Luxtera宣布與全球一流的半導體制造商意法半導體合作，將其在硅光電子學領域領先的IP(芯片知識產權)和知識與意法半導體位于法國克洛爾市的300毫米生產線的工藝相結合，雙方共同為硅光電子學市場提供最先進的低功耗、高密度的器件和解決方案。

Luxtera總裁兼CEO Greg Young說得更為直接：雙方的合作就是為了擴展硅光電子學的生態(tài)環(huán)境。

其實，Luxtera開放IP的商業(yè)模式與ARM開放處理器內核IP的商業(yè)模式很相近。如果說有所不同的話：一是Luxtera面對的是幾乎空白的廣闊市場，而ARM則是后發(fā)制人;二是Luxtera通過向OpSIS開放，顯著降低了客戶的芯片研發(fā)費用。換句話說，與ARM相比，Luxtera所處的市場位置更為有利。

就像英特爾十多年前曾經亮出“擴展摩爾定律”的理念，試圖將PC市場的成功復制到移動市場，以至于在2006年不得不作出放棄移動市場的決策。同樣，ARM在移動市場的成功是否能復制到硅光電子學領域，也有待市場的驗證。

但有一點是肯定的，這就是硅光電子學市場剛剛浮出水面，英特爾已經有了棋力相當的對手。

鏈接 有關激光

激光無疑是20世紀最重要的發(fā)明之一。沒有激光就沒有現代通信業(yè)，互聯(lián)網自然也就無從談起。隨著網絡在現代社會中地位的不斷提升，激光的價值也在不斷地增值。

說到激光，就不能不提及愛因斯坦。而提到愛因斯坦，人們馬上會跟相對論聯(lián)系在一起。然而，愛因斯坦卻是因為在光電效應方面的卓越貢獻，榮獲1921年諾貝爾物理學獎。愛因斯坦發(fā)現原子中處于較高能級(激發(fā)態(tài))的電子，將會自發(fā)地躍遷到較低能級(基態(tài))，同時發(fā)出一個光子，電子在躍遷過程中釋放的能量為激發(fā)態(tài)與基態(tài)這兩個能級之差，也等于光子的頻率與普朗克常數的乘積。由于這種輻射與外界無關，所以又稱為自發(fā)輻射。

由于普朗克常數為一恒定值，所以，光子的頻率僅與原子的能級相關。又因為同種原子的能級結構是固定的，因此，位于相同激發(fā)態(tài)的電子躍遷時發(fā)出的光子的頻率是固定的，這種單一波長在光學上被稱之為單色性;而不同種類的原子由于能級結構的差異，決定了電子躍遷時發(fā)出的頻率有所不同。

1960年，美國物理學家梅曼通過對閃光燈對紅寶石棒進行照射，并從紅寶石棒產生激光，這也是人類第一次獲得激光。

與自發(fā)輻射不同的是，激光利用的是受激輻射，即通過外部輻射的方式，將原子、分子或者離子之中處于基態(tài)或者低能級的電子激發(fā)(泵浦)到較高能級上，當大量的電子從高能級躍遷時，就會發(fā)出相同頻率的光。以紅寶石固體激光為例，激光工作物質紅寶石棒放置在由一個全反射平面鏡和一個部分反射平面鏡平行放置而構成的諧振腔中，從紅寶石棒發(fā)出的激光在諧振腔中往復振蕩，只有那些與諧振腔同軸的光子，才能通過部分反射鏡發(fā)射出去。

1962年，通用電氣的Robert N. Hall與IBM的Marshall Nathan分別領導的研究團隊演示了砷化鎵半導體激光器，同年遲些時候，通用電氣的另一位研究人員Nick Holonyak發(fā)明了可見光半導體激光器，也就是如今被廣泛用于DVD、激光打印機等上的激光二極管。

如今，半導體激光器就其工作物質而言，主要有砷化鎵、磷化銦、硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)等。但卻難以見到硅基半導體激光器的蹤影，究其原因，是因為硅所具有的能帶結構決定了硅自身是一個弱的發(fā)光材料。

dajun