計(jì)算機(jī)內(nèi)的光進(jìn)銅退

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

盡管摩爾定律現(xiàn)在遇到了很大挑戰(zhàn)，但是，芯片的集成度仍然以每年翻番的速度在不斷增加，這使得芯片的處理能力越來(lái)越強(qiáng)大。與之相比，芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸卻一直沒(méi)有很好地解決，不僅如此，隨著芯片處理能力的增加，這一問(wèn)題顯得越發(fā)突出。

業(yè)內(nèi)人士表示，數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題如果不解決，將會(huì)使得未來(lái)的芯片處理能力的提升變得越來(lái)越?jīng)]有意義。目前，研究人員正在加緊研究硅基光電子技術(shù)——一種通過(guò)光學(xué)元件來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的方法，以解決芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸這一問(wèn)題。

數(shù)據(jù)傳輸瓶頸

“芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸不解決，也許是5年，也許是10年，最終我們將達(dá)到一個(gè)極限，處理器將無(wú)法提供更好的性能，而無(wú)論處理器運(yùn)行得多快都沒(méi)有用。”半導(dǎo)體市場(chǎng)研究公司Linley集團(tuán)的首席分析師Linley Gwennap說(shuō)。

以高性能刀片服務(wù)器為例。刀片服務(wù)器每秒需要傳輸500GB的數(shù)據(jù)，如果一條數(shù)據(jù)傳輸通路每秒能傳輸10GB的數(shù)據(jù)，則單向傳輸需要50條數(shù)據(jù)通道，雙向傳輸需要100條。在低壓傳輸?shù)那闆r下，為了避免信號(hào)之間的干擾，每一條通道需要兩根線，每條線就意味著一個(gè)連接用的引腳。這樣，為了保證雙向500GB的數(shù)據(jù)傳輸，芯片上需要200個(gè)引腳。如果數(shù)據(jù)傳輸量更大，帶寬更高的話，芯片上就需要更多引腳，換句話說(shuō)，芯片上需要更多的通孔、線路，層數(shù)也需要更多。

“現(xiàn)在我們還可以增加引腳，但在電路板上每增加一個(gè)引腳，成本就相應(yīng)地新增了一部分?！盙wennap說(shuō)。現(xiàn)有的處理器已經(jīng)有了1000〜1200個(gè)引腳，有些甚至接近2000個(gè)，而電路板上的空間畢竟有限，這種辦法遲早要走到盡頭。而且，連線的增加還意味著元器件要消耗更多的電流以及隨之而來(lái)的散熱問(wèn)題。

另外一個(gè)解決辦法是提高數(shù)據(jù)線的傳輸能力，以減少連線數(shù)量，不過(guò)，這并不是一個(gè)理想的辦法。即使是每秒40GB的帶寬，以銅導(dǎo)線現(xiàn)有的最高傳輸能力也要幾英寸粗。避開(kāi)銅線的粗細(xì)不談，銅線的傳輸能力也有極限。

“過(guò)去我們認(rèn)為銅線的傳輸能力是10GB/s左右，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了40GB/s，而對(duì)于銅線能否超過(guò)100GB/s，人們持懷疑態(tài)度?！?In - Stat的市場(chǎng)研究公司首席技術(shù)戰(zhàn)略官Jim McGregor說(shuō)，“增加電路板上的引腳數(shù)總有極限，并不是一個(gè)終極的解決方法，這就是我們研究光學(xué)技術(shù)的原因?！?/P>

芯片中使用光學(xué)組件

在集成電路中采用光學(xué)元器件的技術(shù)稱為硅光電子（Silicon Photonics）。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，硅光電子技術(shù)利用硅實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該技術(shù)就是用光來(lái)替代傳統(tǒng)的銅導(dǎo)線傳輸信號(hào)，以獲得更高的傳輸速度。

光傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)很多。比如兩束激光只要它們的波長(zhǎng)不同，相互穿過(guò)時(shí)就不會(huì)發(fā)生干擾。事實(shí)上，不同的信號(hào)可以在同一根光纜中傳輸，而且光傳輸不用消耗電能，信號(hào)10公里范圍不會(huì)出現(xiàn)明顯衰減。

讓硅光電子技術(shù)融入集成電路的關(guān)鍵元件是調(diào)制器（Modulator）、光電探測(cè)器（Detector）和波導(dǎo)器(Wave Guide)。調(diào)制器像燈的開(kāi)關(guān)一樣，以極高的數(shù)據(jù)率在光束上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這就類似晶體管對(duì)電子流的開(kāi)和關(guān)；光電探測(cè)器使用高純度的鍺把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，也就是從光線中讀取數(shù)據(jù)，并向電子設(shè)備發(fā)送信息；波導(dǎo)器像鏡子一樣把光束引導(dǎo)到指定的方向，波導(dǎo)器是摻有其他材料的硅，這使得它的折射率與其底層的硅材料不同，以保證光按照一個(gè)特定的路徑前進(jìn)。

Luxtera是一家位于美國(guó)加州的光電設(shè)備供應(yīng)商，只有65名員工，但成立10年來(lái)一直致力于硅光電子技術(shù)的研究。其硅光電產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了每條線路25GB/s的數(shù)據(jù)傳輸率，對(duì)于前面所說(shuō)的需要200條線路(或者引腳)來(lái)雙向傳輸500GB/s的例子，如果使用這種硅光電設(shè)備就只需要40條單向線路。

Luxtera不久還將推出在同一個(gè)光纖中采用多種波長(zhǎng)的設(shè)備。Luxtera公開(kāi)演示了在同一個(gè)系統(tǒng)使用四種波長(zhǎng)不同的光的設(shè)備，這樣每秒500GB的數(shù)據(jù)傳輸只要10條數(shù)據(jù)傳輸線路，最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)每條光纖傳輸500GB/秒。

與Luxtera相比，芯片巨頭英特爾在硅光電子技術(shù)方面的起步更早，研究成果也更為豐碩。2010年7月，英特爾宣布開(kāi)發(fā)出世界上首個(gè)集成了激光器的硅基光電數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)系統(tǒng)研究原型，每秒可傳輸高達(dá)50GB的數(shù)據(jù)——相當(dāng)于一部完整的高清電影。其發(fā)射器芯片包括四個(gè)激光器和光調(diào)制器，每個(gè)調(diào)制器以12.5GB/s的速度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。然后，這四條光束將被集中起來(lái)并輸出到一條光纖內(nèi)，總的數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)到50GB/s。

英特爾與Luxtera在硅光電子技術(shù)方面最大的不同是，英特爾的技術(shù)路線是用磷化銦作為激光源，并把激光源集成到芯片，這意味著在同一塊硅基材料上既可以蝕刻出電子元器件，也可以發(fā)出激光。而Luxtera則是要在現(xiàn)有芯片之外，另外開(kāi)發(fā)一個(gè)激光光源。Luxtera認(rèn)為，英特爾的方法成本高，而且無(wú)法與現(xiàn)有的晶圓生產(chǎn)工藝共存。兩種技術(shù)究竟誰(shuí)優(yōu)誰(shuí)劣還有待市場(chǎng)檢驗(yàn)。

應(yīng)該說(shuō)，光學(xué)技術(shù)應(yīng)用在海底光纜中已經(jīng)不新鮮了，其關(guān)鍵問(wèn)題是相關(guān)的激光設(shè)備和放大器等成本過(guò)于高昂，而且，很多元件是采用手工組裝的，目前幾乎不可能像集成電路那樣有成熟的技術(shù)可以量產(chǎn)這些光學(xué)設(shè)備。因此，對(duì)于硅光電子技術(shù)而言，目前需要對(duì)整個(gè)產(chǎn)品家族的生產(chǎn)技術(shù)和工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是該項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在普及的主要問(wèn)題之一。

硅光電子技術(shù)就是利用硅實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該技術(shù)就是用光來(lái)替代傳統(tǒng)的銅導(dǎo)線傳輸信號(hào)，以獲得更高的傳輸速度。