硅光電子學(xué)：IT新曙光

如果要問(wèn)：什么技術(shù)讓思科、富士通、英特爾、IBM、甲骨文這些在IT不同領(lǐng)域中稱王稱霸的廠商能夠趣味相投？答案盡人皆知——云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)，這是當(dāng)下的產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)。

上述產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)不僅讓人們重新認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)的價(jià)值，也讓數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算資源的需求變得更為貪婪，而其中數(shù)據(jù)傳輸帶寬已經(jīng)成為計(jì)算性能提高的瓶頸。

但要問(wèn)這些廠商下一步的興趣點(diǎn)在哪里？知道硅光電子學(xué)這個(gè)名詞的人就不多了。未來(lái)，首先是云計(jì)算、大數(shù)據(jù)這樣的后臺(tái)應(yīng)用，然后是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等個(gè)人計(jì)算設(shè)備都將與硅光電子學(xué)密不可分。

事實(shí)上，從2004年英特爾實(shí)驗(yàn)室在《自然》雜志上發(fā)文宣布硅光電子學(xué)實(shí)質(zhì)性的突破——1Gbps硅光調(diào)制器研制成功到今天，已經(jīng)整整十年。這十年是硅光電子學(xué)逐步走向成熟的十年。

在2013年5月慶祝以太網(wǎng)誕生40周年儀式上，博通公司創(chuàng)始人兼CTO Henry Samueli在接受媒體采訪時(shí)表示，硅光電子學(xué)在網(wǎng)絡(luò)交換中是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，因?yàn)楝F(xiàn)有的電子交換方式在功耗和用電成本上變得日益昂貴，因此，在超越Tbps時(shí)，硅光電子學(xué)將會(huì)變得很有意義。

而作為計(jì)算廠商的甲骨文比網(wǎng)絡(luò)廠商博通更加樂(lè)觀，同樣是在2013年，甲骨文硅光電子學(xué)首席技術(shù)專家A.V. Krishnamoorthy表示，未來(lái)五年內(nèi)，所有的服務(wù)器都將在25Gbps或更快一點(diǎn)的速率上相互連接。

最新的消息是今年6月中旬，美國(guó)《商業(yè)周刊》報(bào)道說(shuō)，惠普實(shí)驗(yàn)室將其研發(fā)經(jīng)費(fèi)的75%投入到名為“機(jī)器”（The Machine）的下一代計(jì)算架構(gòu)研發(fā)項(xiàng)目中。在這個(gè)大賭注中，將會(huì)有全新的操作系統(tǒng)、新型的內(nèi)存和超快的總線/外設(shè)互連，而這一超快的互連就建立在硅光電子學(xué)基礎(chǔ)之上?；萜崭嬖V《商業(yè)周刊》，“機(jī)器”將會(huì)在未來(lái)幾年內(nèi)商品化。

最后一塊空地

硅光電子學(xué)為什么會(huì)受到眾多IT“大佬”的青睞？或許從計(jì)算技術(shù)的發(fā)展歷程中能夠找到答案，某種意義上說(shuō)，回顧歷史不失為展望未來(lái)的一種切實(shí)可行的方式。

1946年2月，全球第一臺(tái)多用途電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生于美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)。從外觀上看，ENIAC堪稱“巨型”機(jī)，它占地170平方米、重達(dá)30噸，由約1.75萬(wàn)只電子管構(gòu)成的，耗電高達(dá)150千瓦，但每秒只能運(yùn)行5000次的加法運(yùn)算。

到了1981年8月，IBM推出個(gè)人電腦IBM 5150，采用的是主頻4.77MHz的英特爾16位8088處理器，內(nèi)存640KB，性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)ENIAC，而重量不足12公斤，功耗只有100多瓦。

如今，人們使用的智能手機(jī)已經(jīng)是32位的多路處理器，主頻數(shù)以GHz計(jì)，其性能、功耗、體積和成本都讓當(dāng)年的PC望塵莫及。

計(jì)算性能的不斷提升、計(jì)算成本的不斷下降、計(jì)算設(shè)備體積的不斷縮小，三股力量并駕齊驅(qū)，推動(dòng)著計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代。而集成電路技術(shù)，更確切地說(shuō)，是在計(jì)算領(lǐng)域幾乎一統(tǒng)天下的CMOS工藝（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）為代表的硅半導(dǎo)體技術(shù)在其中扮演著“第一推動(dòng)力”的角色。在計(jì)算領(lǐng)域，CMOS工藝幾乎成為半導(dǎo)體技術(shù)的代名詞，這是因?yàn)镃MOS工藝將硅半導(dǎo)體優(yōu)異的性能與大規(guī)模的生產(chǎn)完美地結(jié)合在一起。事實(shí)上，在多種半導(dǎo)體材料與工藝中，只有CMOS工藝嚴(yán)格遵循摩爾定律。

歷史上，半導(dǎo)體技術(shù)的每一次重大進(jìn)步都對(duì)計(jì)算領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。

計(jì)算上，銅互連、絕緣體上硅（SoI）、3D晶體管等半導(dǎo)體技術(shù)和超標(biāo)量、超線程、多核等處理器新技術(shù)不斷推高計(jì)算的性能，片上系統(tǒng)（SoC）又使得計(jì)算系統(tǒng)體積不斷縮小、可靠性不斷提升、成本不斷下降。

而存儲(chǔ)上，在半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)替代早期的磁芯存儲(chǔ)后，從最初的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）到靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SDRAM）、閃存（Flash），半導(dǎo)體技術(shù)一統(tǒng)內(nèi)存天下。除了性能優(yōu)勢(shì)外，成本這一半導(dǎo)體技術(shù)的另一優(yōu)勢(shì)，在存儲(chǔ)領(lǐng)域也得到充分的彰顯。在基于Flash技術(shù)的固態(tài)硬盤(pán)（SSD）成本不斷下降，為更多人所接受之后，半導(dǎo)體技術(shù)開(kāi)始侵占以磁存儲(chǔ)技術(shù)主導(dǎo)的硬盤(pán)市場(chǎng)；也正是得益于成本的下降，內(nèi)存計(jì)算才能將硬盤(pán)從計(jì)算中排擠出去。

作為信息處理中計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸三大組成部分之一的傳輸領(lǐng)域，半導(dǎo)體技術(shù)主導(dǎo)無(wú)線傳輸領(lǐng)域早已是不爭(zhēng)的事實(shí)，但在有線傳輸領(lǐng)域，除了各式各樣的銅纜外，還有高端的光纖。盡管光傳輸較之電傳輸在帶寬上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但將電信號(hào)調(diào)制到光波的電光轉(zhuǎn)換和從光波中解調(diào)出電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，仍需要專用的光電轉(zhuǎn)換器。其核心光電轉(zhuǎn)換器件采用的是砷化鎵（GaAs）或磷化銦（InP）半導(dǎo)體器件，因而成本較高，大都應(yīng)用于高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度要求苛刻的領(lǐng)域。而基于CMOS工藝的硅半導(dǎo)體技術(shù)所具有的成本與體積優(yōu)勢(shì)，在這一領(lǐng)域尚未展露出來(lái)。

如今，半導(dǎo)體技術(shù)正在填補(bǔ)其包括計(jì)算、存儲(chǔ)與傳輸在內(nèi)的信息處理架構(gòu)中最后一塊空白——光纖數(shù)據(jù)傳輸，確切地說(shuō)，填補(bǔ)這一空白的是硅光電子學(xué)。

挾光電結(jié)合之威

硅光電子學(xué)于IT產(chǎn)業(yè)的價(jià)值絕不僅僅限于填補(bǔ)硅技術(shù)在有線傳輸領(lǐng)域的空白。

當(dāng)我們?cè)僖淮位仡櫽?jì)算的歷史時(shí)，不禁對(duì)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(xiàn)了摩爾定律到今天，已經(jīng)49個(gè)年頭了。在這近半個(gè)世紀(jì)中，摩爾定律精準(zhǔn)地規(guī)范著集成電路的發(fā)展。

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

摩爾定律的下一次修改，或者說(shuō)最終改動(dòng)，將會(huì)出現(xiàn)在十余年之后。根據(jù)半導(dǎo)體領(lǐng)域權(quán)威機(jī)構(gòu)國(guó)際半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖（ITRS）2013年發(fā)布的報(bào)告，到2028年，用于高性能處理器的集成電路制程技術(shù)將達(dá)到5nm。這通常被認(rèn)為是半導(dǎo)體工藝的理論極限，因?yàn)槭苤朴诹孔有?yīng)，制程難以進(jìn)一步縮小。endprint

作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，英特爾對(duì)制程技術(shù)研發(fā)的不遺余力，使其制程技術(shù)領(lǐng)先ITRS公布的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)平均水平。以14nm制程為例，英特爾預(yù)計(jì)的推出時(shí)間為2015年，而ITRS給出的時(shí)間為2017年，這意味著英特爾將于2016年觸及硅半導(dǎo)體工藝極限。

也就是說(shuō)，12年或者至多14年之后，持續(xù)60余年，通過(guò)制程改進(jìn)來(lái)提升處理器計(jì)算性能的方式將會(huì)淡出，或者說(shuō)摩爾定律進(jìn)入失效期。

另一方面，光計(jì)算、量子計(jì)算、生物計(jì)算等非硅計(jì)算仍遙不可及。那么，如何滿足人們對(duì)計(jì)算性能的迫切需求似乎成為一個(gè)問(wèn)題。

事實(shí)上，人們大可不必為此擔(dān)憂。在單核處理器時(shí)代，制程成為提高芯片性能的主要手段。當(dāng)處理器進(jìn)入多核時(shí)代，增加處理器的內(nèi)核數(shù)成為提高芯片性能的另一種有效途徑?，F(xiàn)實(shí)中，人們也看到并行計(jì)算時(shí)代處理器內(nèi)核、處理器乃至服務(wù)器數(shù)量的橫向擴(kuò)張，對(duì)計(jì)算性能的提升要比單純提高芯片制程技術(shù)來(lái)得更為有效。

然而，并行計(jì)算中，無(wú)論是處理器的并行還是系統(tǒng)的并行，都需要網(wǎng)絡(luò)互連來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。因而，傳輸帶寬這一計(jì)算系統(tǒng)的傳統(tǒng)瓶頸，在并行計(jì)算中顯得更為突出。

盡管光傳輸技術(shù)具有高帶寬、低功耗、高抗干擾等獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，但其不菲的成本也只有高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等高端用戶能夠承受。

剛剛浮出水面的硅光電子學(xué)，正是將光傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)與CMOS工藝所具有的規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，通過(guò)顯著降低成本和體積，以及有效提高可靠性，促進(jìn)光傳輸技術(shù)向中低端計(jì)算市場(chǎng)普及。

然而，硅光電子學(xué)更大的價(jià)值不僅在于實(shí)現(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)之間的互連，而且可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部板卡之間的互連，乃至芯片之間甚至芯片內(nèi)部的互連，彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)傳輸這一短板，這在并行計(jì)算時(shí)代尤為重要。

千萬(wàn)不要低估帶寬的價(jià)值。從2G到3G，移動(dòng)通信完成了從窄帶到寬帶的跨越。相應(yīng)地，移動(dòng)通信市場(chǎng)也完成了由摩托羅拉、諾基亞等傳統(tǒng)手機(jī)廠商主導(dǎo)，到由蘋(píng)果、谷歌等計(jì)算廠商主導(dǎo)的切換。

而互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展與對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的深刻影響，也與帶寬密切相關(guān)。

在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域與摩爾定律齊名的吉爾德定律指出，主干網(wǎng)帶寬的增長(zhǎng)速度至少是運(yùn)算性能增長(zhǎng)速度的3倍。主干網(wǎng)帶寬的持續(xù)增長(zhǎng)意味著網(wǎng)絡(luò)用戶的使用費(fèi)用不斷降低，并催生出大量新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。吉爾德定律道出了互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的真諦。

而帶寬急劇增加帶來(lái)的應(yīng)用與用戶的繁榮，又印證了邁特卡爾定律，即網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值與網(wǎng)絡(luò)使用者數(shù)量的平方成正比。由此，帶寬與對(duì)社會(huì)的深刻影響便關(guān)聯(lián)起來(lái)。

從帶寬意義上看，說(shuō)硅光電子學(xué)是計(jì)算技術(shù)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(guò)。

硅光電子學(xué)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(duì)集成電路技術(shù)的貢獻(xiàn)，可能無(wú)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(shù)月之后，仙童公司工程師諾伊斯獨(dú)立地研制成功平面工藝的硅集成電路。盡管基爾比因?yàn)榧呻娐返陌l(fā)明而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但其所發(fā)明的集成電路工藝從來(lái)沒(méi)有被付諸生產(chǎn)。

而諾伊斯發(fā)明的平面工藝，使用的是擴(kuò)散技術(shù)。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(shì)，而平面工藝通過(guò)光刻技術(shù)可以不斷縮小加工線寬（制程技術(shù)）同時(shí)易于大規(guī)模生產(chǎn)，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(lái)低功耗CMOS技術(shù)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(kāi)始在光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)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(jié)這一最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體單元，或者從工藝上說(shuō)，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(wú)源元件都可以通過(guò)光刻與摻雜擴(kuò)散等方式實(shí)現(xiàn)。相形之下，光路中的光學(xué)器件種類繁多，且各自獨(dú)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(shí)，利用成熟的硅工藝與光技術(shù)的結(jié)合，也就成為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的一種技術(shù)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(dǎo)體激光器發(fā)明后的幾十年里，硅基激光器的實(shí)現(xiàn)依舊被譽(yù)為是世界性的難題。

雖然硅光電子學(xué)的設(shè)想在上個(gè)世紀(jì)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(diào)制器，才標(biāo)志著徘徊多年的硅光電子學(xué)研究，取得了突破性的進(jìn)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(diào)制器的帶寬提升到10Gbps。2006年9月，英特爾與加州大學(xué)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(xué)至關(guān)重要的突破。

英特爾在上述兩年多時(shí)間內(nèi)取得的一系列的技術(shù)突破，證明了硅是一種可行的光學(xué)材料，硅光電子學(xué)這一技術(shù)路線的選擇是正確的，因?yàn)楣韫庾蛹夹g(shù)與CMOS工藝完全兼容，使得CMOS技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)光學(xué)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(cè)器。到了2008年12月，英特爾又用雪崩光電探測(cè)器進(jìn)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(shù)，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(dá)到1.6Tbps。

硅光電子學(xué)是用CMOS工藝在硅基片上實(shí)現(xiàn)原有光學(xué)元器件的功能，而非原有光學(xué)元器件在物理尺寸上的微縮。因此，硅光電子學(xué)在工藝實(shí)現(xiàn)上充滿了奇思妙想，而CMOS工藝所具有的納米級(jí)制程、規(guī)?；a(chǎn)、高良率、低成本等優(yōu)秀特質(zhì)與光子學(xué)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，又為硅光電子學(xué)開(kāi)拓了廣泛的應(yīng)用空間。endprint