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硅光子，下一代的数据互联就靠它了

2016-11-29 10:47:00 来源: 互联网

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摘要：光电子的长期目标是使用光子在芯片上通信，最终取代传统的 SerDes 以及导线互联，甚至取代传统的晶体管，不过这个长期目标可能需要十年以上的时间才能实现。光电子通信的中短期目标是在数据中心中替代传统铜绞线通信（长距离通信），以及为同一封装内的不同芯片提供数据互联（短距离通信）。

随着大数据时代的来临，数据中心中的互联技术成为了人们关注的热点。传统数据中心使用的互联技术是铜绞线互联，而近来人们发现铜绞线越来越难以满足数据中心的需求。另一方面，使用光通信可以提供极大的数据带宽，减小数据传输需要的能耗，并且在短距离通信和长距离通信上都有优异的性能。除此之外，使用光通信传输数据比起使用铜绞线传输数据更安全。正是基于这些优点，业界正在积极地推进使用硅基光电子通信的数据互联技术。加州大学圣巴巴拉分校的一项研究发现，截至 2005 年关于硅基光通信的论文总共才 500 篇，而在 2009 年到 2015 年之间论文发表数达到了 14000 篇，可见硅基光通信正在逐渐成为关注的焦点。另外一个趋势是，之前关于硅基光通信的研究资助大多来源于政府，而目前硅基光通信的研究资助大多来源于工业界。

除了学界的论文发表之外，业界巨头也在积极布局硅基光电子。 Mentor Graphics 以及 Cadence 已经发布了硅基光电子相关的工具，而 Synopsys 也在积极开发相关的仿真工具。 GlobalFoundries 也不甘落后，近期正在斥巨资投入用于硅基光电子的工艺制程。光电子将会被大规模使用已经没用任何疑问，现在不确定的只是光电子商用化的具体时间。

光电子技术简介

光电子通过光波导来传递光。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。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。目前的硅基光电子使用量子阱来实现光电子所需要的光源。具体来说，在硅衬底上生长两种不同III－V族材料的夹层就可以实现量子阱。在量子阱中，电子被捕获于垂直夹层表面，于是就产生了一个激光光源。相较于传统使用电信号的金属导线，使用光波导的光电子通信带宽更大且能效较高。带宽更大的原因是光作为电磁波的频率可达数百THz，使用该频率的载波可以轻易实现上百Gb／s的数据率。功耗小则是因为光波导相比铜导线的损耗较小，因此传输信号的能量可以较小。

目前的研究热点是使用量子点来代替量子阱，这样可以通过改变量子点的形状或大小来微调光源的性质，例如量子点发射光的频率。量子点可以将光源以较低成本集成到硅基材料上，降低激光功率阈值并改善长期可靠性。

在光电子和半导体技术间有不少重合的地方。光电子最重要的一些参数，例如特征线宽和边缘粗糙度，在硅电子中已经有很好的处理方法。此外，光电子的工艺设计套件（PDK）与传统半导体业很相像。光电子设计围绕的是新的器件，而设计者还是要做DRC，LVS，光刻模拟等等，这些都与CMOS设计流程很像。随着硅基光电子的兴起，硅基光电子器件的集成度和性能甚至可能会以类似摩尔定律的形式指数上升。

光电子技术在数据中心的应用

随着互联网的蓬勃发展，越来越多视频，图像（包括AR／VR）以及物联网传感器数据流在互联网及数据中心中汹涌流动。在90年代，人们就已经使用基于光纤的光基通信来实现互联网长距离通信。在今天，数据中心中服务器间的互联也在越来越多地使用光电子通信。数据中心需要多台计算机协同工作。每台计算机的性能越强，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信号进行通信。传统的铜绞线传输不仅带宽提升困难，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。因此业界对硅基光电子技术寄予了厚望。

GlobalFoundries的资深研究员Ted Letavic表示，“互联网数据在今天需要海量的带宽。例如，在2020年仅仅是移动互联网就能每个月产生30.6 EB （1EB＝10^6 TB）的数据。” Letavic相信，硅基光电子会对数据中心的架构产生深远影响。与目前的巨型数据中心相对，未来可能会产生分布式的小型数据中心，而数据中心之间使用光互联来传输数据。随着数据互联对于带宽需求的提升，光互联将会慢慢取代铜绞线互联。例如，在5G时代，从数据中心到小型基站间需要高速连接。到终端节点的连接数据率就需要1Gb／s，而连接基站和数据中心的互联更需要16-25Gb／s的数据率。

GlobalFoundries并不是唯一看好光电子的业界巨头。HP，Intel和Juniper都在积极推进光电子的应用，而Cisco也在光电子市场投入了巨大资本。据Intel估算，大数据中心里面专用的核心光电元器件每年大概有50%的复合增长率，估计到2020年，市场规模可以高达50亿美金。这就让光电子产业成为半导体元器件领域增长最快的市场之一。

光电子技术在芯片间通信的应用

除了解决未来数据中心长距离数据传输的带宽需求，光电子还可以实现短距离芯片内／间数据传输。随着数据处理的需求越来越大，对芯片内／间信号传输的速度的要求也越来越高。在数据传输能力上，光信号拥有远超电信号的高带宽。而在先进制程，金属连线变细，金属层间通孔变小，这都会导致传统的芯片铜互联RC延迟越来越大而无法满足大数据的需求，继续提高带宽变得越来越困难且会消耗很大功耗。同时云计算产业却对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。在使用传统铜互连的今天，一颗Intel 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。

Arteris市场部副总裁Kurt Shuler表示，“在未来的网络通信应用中，需要一种能提供高带宽低延迟的技术来取代目前的SerDes。在一些细分市场，光电子通信非常合适。一个例子就是芯片间通信。目前CCIX标准使用传统PCIe PHY，而在未来使用光电子通信将是更有效率的解决方案。”Shuler同时认为，目前最大的芯片间通信瓶颈在于SoC与DRAM之间的通信。“目前业界在尝试用HBM和HMC内存接口标准规避SoC－DRAM之间通信的问题，然而这并没有改变DRAM本身速度较慢的事实。能不能使用速度较快的SRAM呢？我们可以为高性能计算应用设计一块容量很大的SRAM，然后在处理好一致性问题的前提下让多块处理器访问这块SRAM。”光电子通信可以高效地处理多处理器的内存访问的数据流，提供高带宽和低延迟，而且功耗很小。

(图源：MIT Integrated Systems Group)

光电子技术目前的需要克服的难点

目前光电子技术需要克服的难点主要是集成问题。由于硅材料无法形成激光，主流光电子光源使用的制造工艺是砷化镓GaAs，砷化铟InAs以及镓铟砷InGaAs等，而这些材料如何与CMOS等传统硅工艺集成在一起是目前最紧要的课题。光源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. 而且,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(在处理高速数据时还需要SerDes中的MUX和DEMUX)。集成时任何一部分出现问题都会导致整体报废。除此之外，还需要处理波导边墙光滑度问题以及波导和光器件的工艺偏差。最后，还需要改善光源的可靠性问题：目前的光源失效时间是2100小时，而大规模商用需要做到4000小时以上。一旦集成良率的问题被解决,硅光电子技术的商用化将会前进一大步.

从产业链角度看，工艺平台也是硅基光电子的一大限制。虽然硅光电子和传统半导体集成电路工艺有接近的地方,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。其中的资本投入也会成为限制硅光电子发展的因素.

市场前景预期

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Cisco, Intel, STMicroelectronics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，2015至2025年均复合增长率高达45%，其中近90%用于数据中心。如前所述，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，其数据中心的性能被传统铜绞线数据传输带宽所限制。因此，这些互联网巨头希望硅基光电子技术能解决数据传输带宽问题从而提升数据中心的效率。短期内，硅基光电子芯片将被部署在高速信号传输系统中，替换现有的铜绞线。如Intel发布了传输速率可达100Gbps的光通讯芯片，它支持波分复用技术让不同的芯片可以在同一条光缆中同时工作而互不影响。此类设备适用于数据中心与超级计算机，解决基于铜线的传统互联性能不足问题。IBM、ST与NEC等主要芯片厂商也正在积极开发硅光子器件，国内也有不少公司在做硅基光通讯芯片，例如华为（之前收购了欧洲IMEC的硅基光电子芯片初创公司Caliopa）以及专注于CMOS光电子芯片的初创公司PhotonIC。