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硅光子:即将起飞的下一代互联技术

发布时间:2016-11-28 17:34:14  浏览数:1090  来源:三优光电互联技术网

据外媒透露,Intel目前正在开发一款硅光通讯产品,将微小的激光器和光纤连接嵌入芯片中,目标是芯片与芯片之间400Gbps的高速通讯;此前Intel最新的PSM4硅光子学产品已经能在两公里的距离内实现每秒100G的速率传输数据。而不久之前,8 月26日,美国集成光电制造创新中心发布了硅光子集成工艺设计工具包(PDK),提供给所有签署协议的成员组织。此外三大EDA设计工具公司Synopsis、Candence和Mentor(现为西门子收购)也推出了硅光相关的仿真工具……近来业界动作频频,似乎预示着经过多年的积累,硅光子技术有望在近年迎来真正的爆发。

其实早在上世纪70年代,集成光学的概念就已经被提出,即在同一芯片中同时集成光器件和电器件,但由于技术上的种种难题,更由于网络发展远未达到传输瓶颈,硅光技术更多地停留在学术研究层面。直到进入2000年后,随着互联网的快速发展,硅光技术开始了产业化进程。2000年,Bookham公司首次实现了硅光子组件的商用,也即阵列波导光栅和收发器。2006年,Kotura公司实现了可变光学衰减器。而移动互联网和大数据的到来更是催生出了对于硅光子产品迫切的市场需求,Acacia公司和英特尔(Intel)等公司在2016年相继推出了更多的硅光子产品,大部分都是瞄准100G网络传输。

在数据传输能力上,光信号拥有电信号不可比拟的高带宽。传统的铜电路已经接近物理瓶颈,继续提高带宽变得越来越困难。同时云计算产业却对芯片间数据交换能力提出了更高的要求:数据中心、超级计算机通常会安装数以千计的高性能处理器,可这些芯片的协同运算能力却受到芯片互联带宽的严重制约。例如一颗Xeon CPU从与自己直接连接的内存中读取数据的带宽高达每秒40G字节,但如果是从另一颗Xeon芯片控制的内存中读入资料,带宽就会下降一半甚至三分之二。

单颗芯片的性能越强、互联的芯片数量越多,较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍。我国研制的天河2超级计算机,已经连续五次获得世界计算机Top500的第一名,它的柜与柜所有的连接就都是通过光进行通信。铜电路不仅带宽提升困难,功耗和发热也不可小视,由此还会带来数据中心温度控制的附加成本。同时相对于电磁波易干扰易窃听的问题,光信号在安全性上得到了巨大提升。因此业界对硅光技术寄予了厚望。

根据市场研究机构Yole 的数据,2015年全球硅光元件的市场规模还只有区区4000万美元,且拥有相关产品的公司不过Mellanox, Cisco, Luxtera, Intel, STMicroelectronics, Acacia和Molex等寥寥几家。但到了2025年,预计硅光器件的市场规模将快速增长至15亿美元,10年成长40倍,年均增长率高达45%,其中近90%用于数据中心。微软、亚马逊和Facebook等互联网巨头之所以一直在大力推动该技术的发展,就是因为其数据中心每时每刻都在处理海量数据,传输瓶颈亟待硅光子技术去解决。短期内,硅光子芯片将被部署在高速信号传输系统中,替换现有的铜制数据传输线缆。如Kotura宣布其Optical Engine可以通过使用波分复用实现100Gbps的数据传输速率,允许不同波长的多个数据信号共享相同光学通路。此类设备适用于数据中心与高性能计算应用程序,解决基于铜线的以太网网络性能不足问题。IBM、Intel与NEC等主要芯片厂商也正在开发硅光子器件。

如前所述,数据中心是当前硅光子技术最好的机遇,但除此之外硅光子技术还有许多其它应用。例如,在当下最为火热的激光雷达中,硅光子可以帮助激光雷达取消使用活动部件,从而在剧烈颠簸的汽车中保证较高的可靠性。2015年8月,MIT的微光电系统研究组就宣布成功将硅光子技术应用在了激光雷达中。此外生物医疗和气体传感器也是一项重要应用。将生物和气体传感器整合进手机和可穿戴产品是很多公司的研发方向,然而基于光学的传感设备的尺寸问题始终阻碍着产品的研发。很多公司和科研机构正在考虑将硅光子技术引入其解决方案中,从而实现小型化集成化的气体和生物传感功能。如比利时根特大学的纳米与生物光子学中心研究人员使用该技术制造了可植入医疗装置,类似血糖仪,可配合芯片上的光谱仪,连同其他医疗/诊断设备一起使用。

硅光子技术的终极目标是实现与IC芯片的互联集成。可以预期该技术将应用在多任务处理芯片内部连接多个核心,提高访问共享高速缓存和总线的速率,从而获得更高的计算性能,但这一目标的实现仍需要时间。

当然,和任何其它新技术一样,硅光技术要实现规模化产业化仍然面临着一些问题。首先,由于硅材料无法形成激光,目前光源都是采用三五族化合物半导体,如砷化镓、砷化铟、镓铟砷等,输出的光需要耦合到硅基波导中,这一过程对操作精度要求很高;且光源使用寿命也需要大幅的提高。此外由于光学设备的高灵敏性,对于很多工艺参数如粗糙度、光栅间隔、均匀性等非常敏感,这要求制造过程中需要进行非常苛刻的工艺控制。

硅光技术需要集成的光模块至少包括激光器、调制器、波导、耦合器和光电二极管五大部分。集成时任何一部分出现问题都会导致整体报废,而且这里还没有考虑光MUX,DMUX的集成。因此良率是目前硅光技术的另一大问题。

从产业链角度看,工艺平台也是硅光子的一大限制。目前多数厂商研发过程中都在借用CMOS的平台,但实际上硅光子很多的一些加工步骤跟CMOS是有区别的,特别是在混合集成之后。硅光子产品若要真正的实现高性能,就必须借助专门的生产线。(摘自传感器与物联网

 

 

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