IBM（InternationalBusinessMachines）的科學家首次揭示他們朝通過光脈沖（pulsesoflight）進行通信的微型硅電路（tinysiliconcircuit）取代通過銅線（copperwire）在電腦芯片（computerchip）間進行通信的電信號（electricsignal）這一方向邁出了顯著性的一步。隨著這項研究在科學雜志《自然》（Nature）的最新一期上發(fā)表，這將是改變電腦芯片間通信方式的一個重要進步。

    這種被稱為納米光子雪崩光電探測器（nanophotonicavalanchephotodetector）的設備，是同類設備中最快速的，并且在高能效計算方面實現(xiàn)了突破；同時將對電子產(chǎn)業(yè)的未來產(chǎn)生重要影響。

    這種IBM的設備探測了鍺（Germanium）的“雪崩效應”（avalancheeffect），鍺是一種目前被廣泛用于微處理器芯片（microprocessorchip）產(chǎn)品的材料。像陡峭山坡上的雪崩一樣，一束入射光的脈沖最初僅僅釋放少數(shù)的電荷載（chargecarrier），這些電荷載子再輪流釋放其他的載子，直到原始信號被放大很多次。常規(guī)的雪崩光電探測器無法快速檢測光信號，因為實現(xiàn)雪崩效應的過程太緩慢。

    “這一創(chuàng)新使得我們對芯片上的光學互聯(lián)（on-chipopticalinterconnections）的想象更接近現(xiàn)實，”IBM研究科學與技術(shù)部副總裁陳博士（Dr.T.C.Chen）說。“通過嵌入處理器芯片的光通信，建立Exaflop（1018次，是千萬億次petaflop的1000倍）級水平的高效能計算機系統(tǒng)的愿景將在不太遙遠的未來實現(xiàn)。”

    IBM展示的雪崩光電探測器是世界上同類設備中最快速的設備。它能夠接收到高達400億比特每秒（40Gbps）速度的光信號，并且同時將速度提高10倍。此外，這種設備只需要1.5伏的電壓供應就能運行，這比之前展示的產(chǎn)品的耗電量小20倍。因此很多這類微型通信設備可能僅需一節(jié)小型的五號電池（AA型，電壓1.5伏）就可以工作，而傳統(tǒng)的雪崩光電探測器需要20-30伏的電量供應。

    “這一顯著性提高之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因為我們在僅僅幾十個原子的水平上來操控原子的光學與電子特性，進而很好地實現(xiàn)了超出接受邊界以外的性能，”這篇論文的領銜作者阿塞法博士（Assefa）說。“這些微型設備具備探測非常微弱的光脈沖、并且以前所未有的帶寬將它們放大、同時使額外產(chǎn)生的不必要的噪聲最小化的能力。”

    IBM的這種設備中，雪崩倍增（avalanchemultiplication）能夠在僅僅幾十納米（10億分之一米）的水平非?？焖俚匕l(fā)生。這種微小的型號也意味著，與常規(guī)的雪崩光電探測器相比倍增的噪聲減弱了50%至70%。IBM的設備由硅（Silicon）和鍺制造，這些材料已經(jīng)被廣泛用于微處理器芯片產(chǎn)品中。而且它是采用芯片制造所采用的標準流程制造的。所以，數(shù)以千計的這類設備能夠通過使用為芯片上光學通信的高帶寬而設計的硅晶體管（silicontransistors）并行地進行生產(chǎn)。

    這種雪崩光電探測器的成就，是IBM研究中此前一系列報告中的最新一個，也是為建立芯片上互聯(lián)（on-chipinterconnects）所必需完成的“納米光子工具箱”（nanophotonicstoolbox）設備開發(fā)的最后一塊拼圖。

在2006年12月，IBM的科學家展示了硅納米光子延遲（siliconnanophotonicdelayline），它能夠?qū)饷}沖中一字節(jié)的信息編碼進行緩沖——這是為芯片上光學通信建立光學緩沖的必要條件。

在2007年12月，IBM的科學家宣布開發(fā)出了一種超小型硅電光調(diào)制器（ultra-compactsiliconelectro-opticmodulator），這種調(diào)制器能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換成光脈沖，這也是實現(xiàn)芯片上光學通信的一個前提條件。

    在2008年3月，IBM的科學家宣布他們?yōu)樾酒瞎鈱W通信中的“交通指揮”（directingtraffic）開發(fā)出了世界上最小的納米光子開關（nanophotonicswitch），以確保光信息能夠被高效率地路由。

    這項研究的報告，題為“為納米光子芯片上光學互聯(lián)重塑鍺雪崩光電探測器”（ReinventingGermaniumAvalanchePhotodetectorforNanophotonicOn-chipOpticalInterconnects），由位于紐約約克敦海茨（YorktownHeights）的IBM沃森研究中心（IBM’sT.J.WatsonResearchCenter）的科學家所羅門·阿塞法（SolomonAssefa）、夏豐年（FengnianXia；音譯）和尤里·弗拉索夫（YuriiVlasov）發(fā)表在科學雜志《自然》2010年3月刊上。

    IBM在為幫助提高性能、同時減小型號與能量消耗而開創(chuàng)先進的硅技術(shù)方面已有很長的歷史。這些進展包括世界上第一個基于銅的微處理器（copper-basedmicroprocessor）的開發(fā)；硅絕緣體（silicon-on-insulator，簡稱SOI），一種降低能量消耗同時通過使芯片上上百萬的晶體管絕緣而增加性能的技術(shù)；以及應變硅（strainedsilicon），一種“拉長”硅內(nèi)部的材料進而減少阻力并且加快晶體管間電子流動的技術(shù)。