硅光电子学：IT新曙光

如果要问：什么技术让思科、富士通、英特尔、IBM、甲骨文这些在IT不同领域中称王称霸的厂商能够趣味相投？答案尽人皆知——云计算、大数据、移动互联网、社交网络，这是当下的产业热点。

上述产业热点不仅让人们重新认识数据的价值，也让数据对计算资源的需求变得更为贪婪，而其中数据传输带宽已经成为计算性能提高的瓶颈。

但要问这些厂商下一步的兴趣点在哪里？知道硅光电子学这个名词的人就不多了。未来，首先是云计算、大数据这样的后台应用，然后是移动互联网等个人计算设备都将与硅光电子学密不可分。

事实上，从2004年英特尔实验室在《自然》杂志上发文宣布硅光电子学实质性的突破——1Gbps硅光调制器研制成功到今天，已经整整十年。这十年是硅光电子学逐步走向成熟的十年。

在2013年5月庆祝以太网诞生40周年仪式上，博通公司创始人兼CTO Henry Samueli在接受媒体采访时表示，硅光电子学在网络交换中是一项非常重要的技术，因为现有的电子交换方式在功耗和用电成本上变得日益昂贵，因此，在超越Tbps时，硅光电子学将会变得很有意义。

而作为计算厂商的甲骨文比网络厂商博通更加乐观，同样是在2013年，甲骨文硅光电子学首席技术专家A.V. Krishnamoorthy表示，未来五年内，所有的服务器都将在25Gbps或更快一点的速率上相互连接。

最新的消息是今年6月中旬，美国《商业周刊》报道说，惠普实验室将其研发经费的75%投入到名为“机器”（The Machine）的下一代计算架构研发项目中。在这个大赌注中，将会有全新的操作系统、新型的内存和超快的总线/外设互连，而这一超快的互连就建立在硅光电子学基础之上。惠普告诉《商业周刊》，“机器”将会在未来几年内商品化。

最后一块空地

硅光电子学为什么会受到众多IT“大佬”的青睐？或许从计算技术的发展历程中能够找到答案，某种意义上说，回顾历史不失为展望未来的一种切实可行的方式。

1946年2月，全球第一台多用途电子计算机ENIAC诞生于美国宾夕法尼亚大学。从外观上看，ENIAC堪称“巨型”机，它占地170平方米、重达30吨，由约1.75万只电子管构成的，耗电高达150千瓦，但每秒只能运行5000次的加法运算。

到了1981年8月，IBM推出个人电脑IBM 5150，采用的是主频4.77MHz的英特尔16位8088处理器，内存640KB，性能已经远远超过ENIAC，而重量不足12公斤，功耗只有100多瓦。

如今，人们使用的智能手机已经是32位的多路处理器，主频数以GHz计，其性能、功耗、体积和成本都让当年的PC望尘莫及。

计算性能的不断提升、计算成本的不断下降、计算设备体积的不断缩小，三股力量并驾齐驱，推动着计算技术的迅速发展，进而推动人类社会进入信息时代。而集成电路技术，更确切地说，是在计算领域几乎一统天下的CMOS工艺（互补型金属氧化物半导体）为代表的硅半导体技术在其中扮演着“第一推动力”的角色。在计算领域，CMOS工艺几乎成为半导体技术的代名词，这是因为CMOS工艺将硅半导体优异的性能与大规模的生产完美地结合在一起。事实上，在多种半导体材料与工艺中，只有CMOS工艺严格遵循摩尔定律。

历史上，半导体技术的每一次重大进步都对计算领域产生深刻的影响。

计算上，铜互连、绝缘体上硅（SoI）、3D晶体管等半导体技术和超标量、超线程、多核等处理器新技术不断推高计算的性能，片上系统（SoC）又使得计算系统体积不断缩小、可靠性不断提升、成本不断下降。

而存储上，在半导体存储技术替代早期的磁芯存储后，从最初的动态随机存储器（DRAM）到静态随机存储器（SDRAM）、闪存（Flash），半导体技术一统内存天下。除了性能优势外，成本这一半导体技术的另一优势，在存储领域也得到充分的彰显。在基于Flash技术的固态硬盘（SSD）成本不断下降，为更多人所接受之后，半导体技术开始侵占以磁存储技术主导的硬盘市场；也正是得益于成本的下降，内存计算才能将硬盘从计算中排挤出去。

作为信息处理中计算、存储和传输三大组成部分之一的传输领域，半导体技术主导无线传输领域早已是不争的事实，但在有线传输领域，除了各式各样的铜缆外，还有高端的光纤。尽管光传输较之电传输在带宽上具有绝对的优势，但将电信号调制到光波的电光转换和从光波中解调出电信号的光电转换，仍需要专用的光电转换器。其核心光电转换器件采用的是砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）半导体器件，因而成本较高，大都应用于高性能计算、数据中心等对网络速度要求苛刻的领域。而基于CMOS工艺的硅半导体技术所具有的成本与体积优势，在这一领域尚未展露出来。

如今，半导体技术正在填补其包括计算、存储与传输在内的信息处理架构中最后一块空白——光纤数据传输，确切地说，填补这一空白的是硅光电子学。

挟光电结合之威

硅光电子学于IT产业的价值绝不仅仅限于填补硅技术在有线传输领域的空白。

当我们再一次回顾计算的历史时，不禁对摩尔定律的神奇，肃然起敬。从1965年还在仙童公司的高登·摩尔发现了摩尔定律到今天，已经49个年头了。在这近半个世纪中，摩尔定律精准地规范着集成电路的发展。

摩尔定律从诞生到现在，只在1975年进行了一次修正，即从当初的“芯片上晶体管的集成度大约每18个月提高1倍”，调整到“每24个月提高1倍”。而英特尔的钟摆战略，即奇数年推出新的工艺，偶数年推出新的架构，其工艺进步周期为两年，正好与摩尔定律的24个月工艺进步周期相吻合。

摩尔定律的下一次修改，或者说最终改动，将会出现在十余年之后。根据半导体领域权威机构国际半导体发展蓝图（ITRS）2013年发布的报告，到2028年，用于高性能处理器的集成电路制程技术将达到5nm。这通常被认为是半导体工艺的理论极限，因为受制于量子效应，制程难以进一步缩小。endprint

作为半导体产业的领导者，英特尔对制程技术研发的不遗余力，使其制程技术领先ITRS公布的国际半导体技术平均水平。以14nm制程为例，英特尔预计的推出时间为2015年，而ITRS给出的时间为2017年，这意味着英特尔将于2016年触及硅半导体工艺极限。

也就是说，12年或者至多14年之后，持续60余年，通过制程改进来提升处理器计算性能的方式将会淡出，或者说摩尔定律进入失效期。

另一方面，光计算、量子计算、生物计算等非硅计算仍遥不可及。那么，如何满足人们对计算性能的迫切需求似乎成为一个问题。

事实上，人们大可不必为此担忧。在单核处理器时代，制程成为提高芯片性能的主要手段。当处理器进入多核时代，增加处理器的内核数成为提高芯片性能的另一种有效途径。现实中，人们也看到并行计算时代处理器内核、处理器乃至服务器数量的横向扩张，对计算性能的提升要比单纯提高芯片制程技术来得更为有效。

然而，并行计算中，无论是处理器的并行还是系统的并行，都需要网络互连来传输数据。因而，传输带宽这一计算系统的传统瓶颈，在并行计算中显得更为突出。

尽管光传输技术具有高带宽、低功耗、高抗干扰等独特的性能优势，但其不菲的成本也只有高性能计算、数据中心等高端用户能够承受。

刚刚浮出水面的硅光电子学，正是将光传输的技术优势与CMOS工艺所具有的规模生产优势相结合，通过显著降低成本和体积，以及有效提高可靠性，促进光传输技术向中低端计算市场普及。

然而，硅光电子学更大的价值不仅在于实现计算系统之间的互连，而且可以实现计算系统内部板卡之间的互连，乃至芯片之间甚至芯片内部的互连，弥补了数据传输这一短板，这在并行计算时代尤为重要。

千万不要低估带宽的价值。从2G到3G，移动通信完成了从窄带到宽带的跨越。相应地，移动通信市场也完成了由摩托罗拉、诺基亚等传统手机厂商主导，到由苹果、谷歌等计算厂商主导的切换。

而互联网的高速发展与对社会产生的深刻影响，也与带宽密切相关。

在网络领域与摩尔定律齐名的吉尔德定律指出，主干网带宽的增长速度至少是运算性能增长速度的3倍。主干网带宽的持续增长意味着网络用户的使用费用不断降低，并催生出大量新的网络应用。吉尔德定律道出了互联网高速发展的真谛。

而带宽急剧增加带来的应用与用户的繁荣，又印证了迈特卡尔定律，即网络的价值与网络使用者数量的平方成正比。由此，带宽与对社会的深刻影响便关联起来。

从带宽意义上看，说硅光电子学是计算技术发展史上继晶体管替代电子管、集成电路替代晶体管之后第三次深刻的变革，可能并不为过。

硅光电子学的前世今生

英特尔第二任CEO摩尔的大名如雷贯耳，第三任CEO格鲁夫的名字也耳熟能详，但其第一任CEO诺伊斯对集成电路技术的贡献，可能无人出其右。

1958年夏，德州仪器的工程师基尔比发明了世界上第一块锗集成电路。数月之后，仙童公司工程师诺伊斯独立地研制成功平面工艺的硅集成电路。尽管基尔比因为集成电路的发明而获得诺贝尔物理学奖，但其所发明的集成电路工艺从来没有被付诸生产。

而诺伊斯发明的平面工艺，使用的是扩散技术。甚至到了今天，集成电路依旧采用的是诺伊斯发明的平面工艺，即便是德州仪器也是从诺伊斯而非基尔比的发明中获益。

从材料上看，与锗相比，硅具有漏电少、温度稳定性高、原料丰富等诸多优势，而平面工艺通过光刻技术可以不断缩小加工线宽（制程技术）同时易于大规模生产，前者使得集成电路速度不断提升，后者则让成本不断下降。而后来低功耗CMOS技术的引入，更让硅平面工艺如虎添翼。

受集成电路的启发，人们开始在光学领域进行集成光路的探索。但是集成电路中的晶体三极管和二极管最终都可以分解为PN结这一最简单的半导体单元，或者从工艺上说，集成电路上所有的三极管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件都可以通过光刻与掺杂扩散等方式实现。相形之下，光路中的光学器件种类繁多，且各自独立。因此，集成光路在尺寸、连接方式、元器件可靠性、制造工艺等方面还面临诸多挑战。

与此同时，利用成熟的硅工艺与光技术的结合，也就成为应对上述挑战的一种技术路径的尝试。

然而，受硅材料自身物理性能的限制，在1962年半导体激光器发明后的几十年里，硅基激光器的实现依旧被誉为是世界性的难题。

虽然硅光电子学的设想在上个世纪90年代就提出了，但直到2004年2月，英特尔研制成功1Gbps的硅光调制器，才标志着徘徊多年的硅光电子学研究，取得了突破性的进展。2005年2月，英特尔研制成功连续波硅拉曼激光器。同年3月，英特尔又将硅光调制器的带宽提升到10Gbps。2006年9月，英特尔与加州大学圣塔芭芭拉分校联合宣布研制成功电泵浦硅基拉曼激光器，这是硅光电子学至关重要的突破。

英特尔在上述两年多时间内取得的一系列的技术突破，证明了硅是一种可行的光学材料，硅光电子学这一技术路线的选择是正确的，因为硅光子技术与CMOS工艺完全兼容，使得CMOS技术得以实现光学元器件的等效功能并将其集成之。

之后的2007年8月，英特尔又推出40Gbps PIN光电探测器。到了2008年12月，英特尔又用雪崩光电探测器进一步将性能提高到340GHz增益带积。2014年3月，英特尔利用其MXC互连技术，在一根MXC光缆中放置了64根光纤，每根光线的传输速率为24Gbps，因而使得总传输速率达到1.6Tbps。

硅光电子学是用CMOS工艺在硅基片上实现原有光学元器件的功能，而非原有光学元器件在物理尺寸上的微缩。因此，硅光电子学在工艺实现上充满了奇思妙想，而CMOS工艺所具有的纳米级制程、规模化生产、高良率、低成本等优秀特质与光子学的优势相结合，又为硅光电子学开拓了广泛的应用空间。endprint