计算机内的光进铜退

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尽管摩尔定律现在遇到了很大挑战，但是，芯片的集成度仍然以每年翻番的速度在不断增加，这使得芯片的处理能力越来越强大。与之相比，芯片之间的数据传输瓶颈却一直没有很好地解决，不仅如此，随着芯片处理能力的增加，这一问题显得越发突出。

业内人士表示，数据传输问题如果不解决，将会使得未来的芯片处理能力的提升变得越来越没有意义。目前，研究人员正在加紧研究硅基光电子技术——一种通过光学元件来传递数据的方法，以解决芯片之间的数据传输这一问题。

数据传输瓶颈

“芯片之间的数据传输不解决，也许是5年，也许是10年，最终我们将达到一个极限，处理器将无法提供更好的性能，而无论处理器运行得多快都没有用。”半导体市场研究公司Linley集团的首席分析师Linley Gwennap说。

以高性能刀片服务器为例。刀片服务器每秒需要传输500GB的数据，如果一条数据传输通路每秒能传输10GB的数据，则单向传输需要50条数据通道，双向传输需要100条。在低压传输的情况下，为了避免信号之间的干扰，每一条通道需要两根线，每条线就意味着一个连接用的引脚。这样，为了保证双向500GB的数据传输，芯片上需要200个引脚。如果数据传输量更大，带宽更高的话，芯片上就需要更多引脚，换句话说，芯片上需要更多的通孔、线路，层数也需要更多。

“现在我们还可以增加引脚，但在电路板上每增加一个引脚，成本就相应地新增了一部分。”Gwennap说。现有的处理器已经有了1000〜1200个引脚，有些甚至接近2000个，而电路板上的空间毕竟有限，这种办法迟早要走到尽头。而且，连线的增加还意味着元器件要消耗更多的电流以及随之而来的散热问题。

另外一个解决办法是提高数据线的传输能力，以减少连线数量，不过，这并不是一个理想的办法。即使是每秒40GB的带宽，以铜导线现有的最高传输能力也要几英寸粗。避开铜线的粗细不谈，铜线的传输能力也有极限。

“过去我们认为铜线的传输能力是10GB/s左右，现在已经达到了40GB/s，而对于铜线能否超过100GB/s，人们持怀疑态度。” In - Stat的市场研究公司首席技术战略官Jim McGregor说，“增加电路板上的引脚数总有极限，并不是一个终极的解决方法，这就是我们研究光学技术的原因。”

芯片中使用光学组件

在集成电路中采用光学元器件的技术称为硅光电子（Silicon Photonics）。作为一项新兴技术，硅光电子技术利用硅实现计算机和其他电子设备之间的光信息发送和接收。简单地说，该技术就是用光来替代传统的铜导线传输信号，以获得更高的传输速度。

光传输的优点很多。比如两束激光只要它们的波长不同，相互穿过时就不会发生干扰。事实上，不同的信号可以在同一根光缆中传输，而且光传输不用消耗电能，信号10公里范围不会出现明显衰减。

让硅光电子技术融入集成电路的关键元件是调制器（Modulator）、光电探测器（Detector）和波导器(Wave Guide)。调制器像灯的开关一样，以极高的数据率在光束上对数据进行编码，这就类似晶体管对电子流的开和关；光电探测器使用高纯度的锗把光信号转换为电信号，也就是从光线中读取数据，并向电子设备发送信息；波导器像镜子一样把光束引导到指定的方向，波导器是掺有其他材料的硅，这使得它的折射率与其底层的硅材料不同，以保证光按照一个特定的路径前进。

Luxtera是一家位于美国加州的光电设备供应商，只有65名员工，但成立10年来一直致力于硅光电子技术的研究。其硅光电产品已经实现了每条线路25GB/s的数据传输率，对于前面所说的需要200条线路(或者引脚)来双向传输500GB/s的例子，如果使用这种硅光电设备就只需要40条单向线路。

Luxtera不久还将推出在同一个光纤中采用多种波长的设备。Luxtera公开演示了在同一个系统使用四种波长不同的光的设备，这样每秒500GB的数据传输只要10条数据传输线路，最终的目标是实现每条光纤传输500GB/秒。

与Luxtera相比，芯片巨头英特尔在硅光电子技术方面的起步更早，研究成果也更为丰硕。2010年7月，英特尔宣布开发出世界上首个集成了激光器的硅基光电数据联结系统研究原型，每秒可传输高达50GB的数据——相当于一部完整的高清电影。其发射器芯片包括四个激光器和光调制器，每个调制器以12.5GB/s的速度对数据进行编码。然后，这四条光束将被集中起来并输出到一条光纤内，总的数据传输速率将达到50GB/s。

英特尔与Luxtera在硅光电子技术方面最大的不同是，英特尔的技术路线是用磷化铟作为激光源，并把激光源集成到芯片，这意味着在同一块硅基材料上既可以蚀刻出电子元器件，也可以发出激光。而Luxtera则是要在现有芯片之外，另外开发一个激光光源。Luxtera认为，英特尔的方法成本高，而且无法与现有的晶圆生产工艺共存。两种技术究竟谁优谁劣还有待市场检验。

应该说，光学技术应用在海底光缆中已经不新鲜了，其关键问题是相关的激光设备和放大器等成本过于高昂，而且，很多元件是采用手工组装的，目前几乎不可能像集成电路那样有成熟的技术可以量产这些光学设备。因此，对于硅光电子技术而言，目前需要对整个产品家族的生产技术和工艺进行设计，这是该项技术现在普及的主要问题之一。

硅光电子技术就是利用硅实现计算机和其他电子设备之间的光信息发送和接收。简单地说，该技术就是用光来替代传统的铜导线传输信号，以获得更高的传输速度。