計算機內的光進銅退

盡管摩爾定律現在遇到了很大挑戰，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越強大。與之相比，芯片之間的數據傳輸瓶頸卻一直沒有很好地解決，不僅如此，隨著芯片處理能力的增加，這一問題顯得越發突出。

業內人士表示，數據傳輸問題如果不解決，將會使得未來的芯片處理能力的提升變得越來越沒有意義。目前，研究人員正在加緊研究硅基光電子技術——一種通過光學元件來傳遞數據的方法，以解決芯片之間的數據傳輸這一問題。

數據傳輸瓶頸

“芯片之間的數據傳輸不解決，也許是5年，也許是10年，最終我們將達到一個極限，處理器將無法提供更好的性能，而無論處理器運行得多快都沒有用。”半導體市場研究公司Linley集團的首席分析師Linley Gwennap說。

以高性能刀片服務器為例。刀片服務器每秒需要傳輸500GB的數據，如果一條數據傳輸通路每秒能傳輸10GB的數據，則單向傳輸需要50條數據通道，雙向傳輸需要100條。在低壓傳輸的情況下，為了避免信號之間的干擾，每一條通道需要兩根線，每條線就意味著一個連接用的引腳。這樣，為了保證雙向500GB的數據傳輸，芯片上需要200個引腳。如果數據傳輸量更大，帶寬更高的話，芯片上就需要更多引腳，換句話說，芯片上需要更多的通孔、線路，層數也需要更多。

“現在我們還可以增加引腳，但在電路板上每增加一個引腳，成本就相應地新增了一部分。”Gwennap說。現有的處理器已經有了1000#12316;1200個引腳，有些甚至接近2000個，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的散熱問題。

另外一個解決辦法是提高數據線的傳輸能力，以減少連線數量，不過，這并不是一個理想的辦法。即使是每秒40GB的帶寬，以銅導線現有的最高傳輸能力也要幾英寸粗。避開銅線的粗細不談，銅線的傳輸能力也有極限。

“過去我們認為銅線的傳輸能力是10GB/s左右，現在已經達到了40GB/s，而對于銅線能否超過100GB/s，人們持懷疑態度。” In - Stat的市場研究公司首席技術戰略官Jim McGregor說，“增加電路板上的引腳數總有極限，并不是一個終極的解決方法，這就是我們研究光學技術的原因。”

芯片中使用光學組件

在集成電路中采用光學元器件的技術稱為硅光電子（Silicon Photonics）。作為一項新興技術，硅光電子技術利用硅實現計算機和其他電子設備之間的光信息發送和接收。簡單地說，該技術就是用光來替代傳統的銅導線傳輸信號，以獲得更高的傳輸速度。

光傳輸的優點很多。比如兩束激光只要它們的波長不同，相互穿過時就不會發生干擾。事實上，不同的信號可以在同一根光纜中傳輸，而且光傳輸不用消耗電能，信號10公里范圍不會出現明顯衰減。

讓硅光電子技術融入集成電路的關鍵元件是調制器（Modulator）、光電探測器（Detector）和波導器(Wave Guide)。調制器像燈的開關一樣，以極高的數據率在光束上對數據進行編碼，這就類似晶體管對電子流的開和關；光電探測器使用高純度的鍺把光信號轉換為電信號，也就是從光線中讀取數據，并向電子設備發送信息；波導器像鏡子一樣把光束引導到指定的方向，波導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，以保證光按照一個特定的路徑前進。

Luxtera是一家位于美國加州的光電設備供應商，只有65名員工，但成立10年來一直致力于硅光電子技術的研究。其硅光電產品已經實現了每條線路25GB/s的數據傳輸率，對于前面所說的需要200條線路(或者引腳)來雙向傳輸500GB/s的例子，如果使用這種硅光電設備就只需要40條單向線路。

Luxtera不久還將推出在同一個光纖中采用多種波長的設備。Luxtera公開演示了在同一個系統使用四種波長不同的光的設備，這樣每秒500GB的數據傳輸只要10條數據傳輸線路，最終的目標是實現每條光纖傳輸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，英特爾宣布開發出世界上首個集成了激光器的硅基光電數據聯結系統研究原型，每秒可傳輸高達50GB的數據——相當于一部完整的高清電影。其發射器芯片包括四個激光器和光調制器，每個調制器以12.5GB/s的速度對數據進行編碼。然后，這四條光束將被集中起來并輸出到一條光纖內，總的數據傳輸速率將達到50GB/s。

英特爾與Luxtera在硅光電子技術方面最大的不同是，英特爾的技術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，也可以發出激光。而Luxtera則是要在現有芯片之外，另外開發一個激光光源。Luxtera認為，英特爾的方法成本高，而且無法與現有的晶圓生產工藝共存。兩種技術究竟誰優誰劣還有待市場檢驗。

應該說，光學技術應用在海底光纜中已經不新鮮了，其關鍵問題是相關的激光設備和放大器等成本過于高昂，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可以量產這些光學設備。因此，對于硅光電子技術而言，目前需要對整個產品家族的生產技術和工藝進行設計，這是該項技術現在普及的主要問題之一。

硅光電子技術就是利用硅實現計算機和其他電子設備之間的光信息發送和接收。簡單地說，該技術就是用光來替代傳統的銅導線傳輸信號，以獲得更高的傳輸速度。