盡管早在2014年6月英特爾就宣布，將在下一代至強(qiáng)Phi處理器中引入基于硅光子學(xué)的內(nèi)部互連技術(shù)Omni Scale Fabric，但最終還是被麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校和科羅拉多州大學(xué)的研究人員搶了頭籌。

　　近日，這3所大學(xué)的研究人員宣布，他們已經(jīng)做出了世界第一個(gè)采用光互連的處理器。據(jù)稱，該處理器的帶寬密度可達(dá)每平方毫米300Gb，是現(xiàn)有處理器傳輸速率的10～50倍。

　　論文摘要見端倪

　　這一研究成果是去年12月23日出版的《自然》雜志披露的。這篇名為《直接使用光通信的單芯片處理器》的論文提要顯示，該芯片在18(3×6)平方毫米的面積上集成了7000多萬個(gè)晶體管和850個(gè)光子學(xué)器件，通過這些芯片上的光子學(xué)器件，處理器可以直接用光與其他芯片進(jìn)行通信。

　　眾所周知，高帶寬和低功耗使得光通信不僅用在越洋海底光纜、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用方面，甚至也通過光纖到戶來到尋常百姓家。但是，光通信設(shè)備的體量長期以來一直是阻礙光互連普及的主要障礙。

　　該論文作者稱，有別于開發(fā)專用制造工藝來制造這些光子學(xué)器件，他們采用了被稱為“零改動(dòng)”的方式，使用當(dāng)今生產(chǎn)處理器采用的標(biāo)準(zhǔn)的微電子學(xué)制造工藝。所謂“零改動(dòng)”應(yīng)該指的是新的處理器制造工藝與現(xiàn)有的CMOS工藝是兼容的，從而為大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

　　論文摘要指明，這標(biāo)志著一個(gè)芯片級別的電子光子系統(tǒng)時(shí)代的開始，意味著計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的改變，將推動(dòng)從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施到數(shù)據(jù)中心，再到超級計(jì)算機(jī)的更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

　　雖然論文摘要僅披露了上述信息，但是在論文發(fā)布后，一些科技媒體的報(bào)道還是進(jìn)一步披露了更多的相關(guān)信息。

　　據(jù)該論文第一作者Chen Sun介紹，該項(xiàng)目組首先是在硅襯底上制作了200納米厚的二氧化硅層，用來作為絕緣層。在此之上是100納米的硅晶有源層，再上面則是100納米的氮化物層和電介質(zhì)薄膜。硅晶有源層包括少量的鍺來制作硅應(yīng)變，以加速電路傳輸速度。

　　“在此基礎(chǔ)上我們制作了處理器?！彼f。這個(gè)處理器采用的是雙核RISC-V架構(gòu)，該架構(gòu)源自伯克利研發(fā)的開放的指令集架構(gòu)，芯片上還包括容量為1MB的SRAM。該芯片是在45納米生產(chǎn)線上制造的。

　　Sun表示，芯片中光子部分的一個(gè)關(guān)鍵部件是一個(gè)連接波導(dǎo)的10微米長的“微型—環(huán)”諧振腔，它在激光發(fā)射和光探測上非常重要。盡管“微型—環(huán)”諧振腔已經(jīng)問世一段時(shí)間，卻被產(chǎn)業(yè)界人士所忽略，原因在于一旦受熱，“微型—環(huán)”諧振器就會(huì)產(chǎn)生漂移，從而偏離了工作波長。他們通過光探測器和控制器來主動(dòng)增強(qiáng)“微型-環(huán)”諧振腔的熱穩(wěn)定性。

　　商品化前景如何？

　　為了使這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，Sun已于2015年5月在伯克利成立了一個(gè)創(chuàng)業(yè)公司——Ayar實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)面向數(shù)據(jù)中心的芯片。具體而言，SiFive公司負(fù)責(zé)處理器內(nèi)核部分的商業(yè)化，Ayar實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)在其上開發(fā)光子學(xué)器件。SiFive位于舊金山，是一家基于開放RISC-V處理器架構(gòu)為客戶提供定制化服務(wù)的公司。

　　Ayar已經(jīng)獲得了2015年麻省理工學(xué)院清潔能源獎(jiǎng)。Sun表示，最快有可能在兩年內(nèi)將處理器推向市場。

　　“這是一個(gè)里程碑，它是第一個(gè)可以使用光與外部世界通信的處理器?！鳖I(lǐng)導(dǎo)這個(gè)項(xiàng)目的加州大學(xué)伯克利分校教授斯托揚(yáng)諾維奇(Stojanovic)表示，“而其他處理器不具備光子學(xué)的輸入/輸出(I/O)?！?/p>

　　也有人對此表示質(zhì)疑。這篇論文發(fā)布在《自然》雜志網(wǎng)頁上后，巴黎南大學(xué)基礎(chǔ)電子研究所光子學(xué)研究人員勞倫特·維維恩(Laurent Vivien)評論說，在這個(gè)“零改動(dòng)”應(yīng)用于商業(yè)化產(chǎn)品之前會(huì)遇到兩項(xiàng)挑戰(zhàn)：首先是2.6Gpbs的片上光學(xué)通信速率與當(dāng)今硅光子學(xué)已獲得的傳輸速率相比，還是相對慢了，如果增加這個(gè)SoC芯片中光學(xué)調(diào)制器和光學(xué)探測器之間的帶寬，勢必要增加存儲(chǔ)器與處理器之間的連接；其二，未來還需要一個(gè)多波長光學(xué)線路來解決互連瓶頸。

　　維維恩還表示，包括開關(guān)、濾波器和低功耗延遲線在內(nèi)的大量光學(xué)器件和功能模塊，有朝一日終將改變計(jì)算系統(tǒng)。

　　產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要真功夫

　　盡管人們很早以前就看到了光通信高帶寬和低功耗的突出優(yōu)勢，但光學(xué)器件中的光路系統(tǒng)還是難以放棄玻璃等傳統(tǒng)材料。如果按照傳統(tǒng)的方式，只是在物理尺寸上下工夫，只有高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用才用得起服務(wù)器、存儲(chǔ)之間的光互連。

　　硅光子學(xué)是近幾年來的熱點(diǎn)之一。它采用當(dāng)今主流的CMOS硅工藝替代了傳統(tǒng)的光機(jī)加工方式，來實(shí)現(xiàn)光通信中的核心器件激光器，以及相關(guān)的光路元件。其中以控制載流子濃度實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制，堪稱腦洞大開的創(chuàng)新。

　　采用CMOS工藝使得光通信系統(tǒng)得以集成到芯片內(nèi)部，同時(shí)大大降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而使得該技術(shù)的普及成為可能。由于完全使用的是硅工藝，也就是通常所說的微電子學(xué)技術(shù)，硅光子學(xué)(Silicon Photonics)又被翻譯為硅光電子學(xué)。

　　實(shí)際上，英特爾、IBM、甲骨文等IT企業(yè)在這一領(lǐng)域研究多年，其中英特爾的研究人員早在2004年就在《自然》雜志上發(fā)表了相關(guān)的論文。

　　近些年來，網(wǎng)絡(luò)與通信廠商開始重視這一領(lǐng)域。2010年2月，思科斥資2.7億美元收購Lightwire公司。2013年5月，作為服務(wù)器和存儲(chǔ)端到端解決方案供應(yīng)商，Mellanox花費(fèi)8200億美元收購了Kotura。對于Mellanox而言，能否在硅光子學(xué)領(lǐng)域站住腳至關(guān)重要，因?yàn)楣韫庾訉W(xué)首先顛覆的就是Mellanox當(dāng)前所在市場。華為也于2013年9月借收購Caliopa公司進(jìn)入這一領(lǐng)域。

　　值得業(yè)界關(guān)注的是Luxtera公司。這家公司從2001年成立起就專注于硅光子學(xué)的研究。到了2012年，該公司宣布開放其基于CMOS的硅光子器件制程及其器件庫。與ARM采用的商業(yè)模式相似，Luxtera允許用戶使用Luxtera的制程和器件庫，開發(fā)用戶自己的芯片。

　　硅光子器件在業(yè)界已經(jīng)不是新鮮事了。這次三所大學(xué)的研究之所以引起廣泛關(guān)注，是因?yàn)檫@是首次演示了處理器與存儲(chǔ)芯片之間的光通信。這督促相關(guān)的IT企業(yè)加快在這一領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程，從而使得廣大用戶可以更快地享受到硅光子學(xué)器件帶來的好處。

　　當(dāng)初，基爾比和諾伊斯相差幾個(gè)月相繼獨(dú)立發(fā)明了集成電路，諾貝爾獎(jiǎng)最終被基爾比拿走。事實(shí)上，基爾比發(fā)明的集成電路工藝根本不具備實(shí)用性。即使到了今天，主流的半導(dǎo)體工藝依舊使用的是諾伊斯當(dāng)初發(fā)明的工藝。然而，諾貝爾獎(jiǎng)只認(rèn)第一個(gè)是誰。

　　同時(shí)，我們也應(yīng)該意識到，從樣品的演示到商品化，是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的過程，特別是在半導(dǎo)體這樣資金密集和技術(shù)密集型的領(lǐng)域。

　　盡管從樣品到商品，還充滿著各種不確定因素，但希望它能夠“激活”這一領(lǐng)域。