硅光芯片成功研制为人类打开新世界的大门

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近日,IBM宣布已成功研制出实用化的硅光学芯片,这项已有二十年发展历史的技术让人看到了应用的希望。据称,他们已将一个硅光集成芯片塞到了与CPU相同的封装尺寸中,这无疑将硅光子技术提升到了更高的层次,专家预计在半导体工艺达到物理极限,革命性的新计算机尚未出现之前,硅光学技术将负责填补空缺。

 

Silicon chip


 历史:光学透镜思路一度限制发展

IBM的这一消息令行业再次沸腾,为什么这些“技术者们”会这么兴奋?硅光子真的可以为人类打开一扇通往新世界的大门?

早在上世纪90年代,IT从业者就开始为半导体芯片产业寻找继任者。光子计算、量子计算、生物计算、超导计算等概念一时间炙手可热,它们的目标都是在硅芯片发展到物理极限后取而代之,以延续摩尔定律。

其中光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。与半导体芯片相比,光芯片用超微透镜取代晶体管、以光信号代替电信号进行运算。光芯片无需改变二进制计算机的软件原理,但可以轻易实现极高的运算频率,同时能耗非常低,不需要复杂的散热装置。与电脑对应,设想中的光学计算机被称作“光脑”。早年甚至有人预言2015年光脑就会开始取代硅芯片。

但是现实并不尽如人意,科学家和工程师很快就发现制造纳米级的光学透镜是如此困难,想在小小芯片上集成数十亿的透镜远远超出了人类现有的技术水平。

好在科研单位并未放弃将光线引入芯片世界的努力。很快人们发现用光通路取代电路来在硅芯片之间传输数据是很有潜力的应用方向:光信号在传输过程中很少衰减,几乎不产生热量,同时可以轻松获得恐怖的带宽;最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的难度不算太高,不像光子计算那样近乎幻想。于是从21世纪初开始,以Intel和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术,期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。

 

Silicon chip

 

原理:芯片集成光电转换和传输模块

以激光代替电路传递数据的技术对普通人来说并不陌生,音频设备常见的光纤数字接口就是一个典型例子。如今城市新建宽带网络已经普遍使用光纤取代了铜缆,大大提升了网络的接入带宽。光信号技术有很多优势,但传统光学数据设备的体积庞大,难以应用在芯片级的信号网络中。

硅光学技术的目标就是在芯片上集成光电转换和传输模块,使芯片间光信号交换成为可能。使用该技术的芯片中,电流从计算核心流出,到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤,到另一块芯片后再转换为电信号。

把复杂的光电转换模块缩小到纳米尺寸,同时还要能用半导体工艺制造不是容易的事情。虽然实验室中早有成果,但成品的良率和成本一直难以令人满意。另一方面,2004年后串行数据电路技术飞速发展,PCIe、QPI、HyperTransport等总线技术提供的带宽达到很高的水平,也降低了业界对硅光学技术的潜在需求。

直到几年前,业界发现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。铜电路不仅带宽提升困难,功耗和发热也不可小视,业界对硅光学技术的需求已经到了迫在眉睫的程度。

未来:听得见的脚步声

去年,硅光子器件公司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。此外,IBM、Intel与NEC等芯片厂商巨头也正在开发硅光子器件。一时之间,硅光子被广泛重视。

2010年,IBM在日本东京发布了其在芯片技术领域的最新突破——CMOS集成硅纳米光子学技术,该芯片技术可将电子和光子纳米器件集成在一块硅芯片上,使计算机芯片之间通过光脉冲进行通讯。科学家有望据此研制出比传统芯片更小、更快、能耗更低的芯片,为亿亿次超级计算机的研发开辟道路。

2013年9月,Intel、康宁宣布共同研发了新的光纤传输技术,300米之内可以做到1.6Tb/s(200GB/s)的惊人速度,这种光纤采用了康宁的ClearCurve LX多模光纤技术,并搭配Intel MXC光学接口,未来可以支持Intel硅光子技术产品。

2013年11月富士通宣布,通过与Intel的大力合作,成功打造并展示了全球第一台基于Intel OPCIe(光学PCI-E)的服务器,而其中的核心技术就是Intel苦心研发多年的硅光子。

2014年12月,华为与纳米研究中心——比利时的微电子研究中心联合宣布,聚焦于光学数据链路技术,其战略合作伙伴关系再进一步。这对于硅基光学互连的联合研究有望带来诸多益处,包括高速、低功耗和成本节省。

这些行业巨头都在瞄准硅光子市场,重点开发硅光子技术。强大的背景支持,结合夯实的历史基础,硅光子技术戴着闪耀的光环重出江湖。

硅光学技术很快就会在数据中心、超级计算机领域普及。不过在消费级产业这项技术很难有用武之地:智能设备和PC本来就没那么多芯片,自然也用不上高大上的芯片间光信号传输。新技术将更多以间接的形式影响我们的生活:未来云计算平台的性能快速增长可以为普通用户提供更快更好的信息服务,背后的功臣之一就是硅光学技术。在半导体工艺达到物理极限,革命性的新计算机尚未出现之前,硅光学技术将负责填补空缺。

在整个产业界的努力下,一个个问题正在被突破,业界对硅光子大规模商用也抱有极大的信心,有业内人士预计广泛应用需要7—10年的时间。

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