硅光子技術(shù)全面普及：芯片間實(shí)現光傳輸

　　關(guān)于在硅晶圓上實(shí)現光傳輸的“硅光子”技術(shù)，其實(shí)用化和研發(fā)的推進(jìn)速度都超過(guò)了預期。其中，日本的進(jìn)展尤其顯著(zhù)。日本在高密度集成技術(shù)和調制器等的小型化方面世界領(lǐng)先，在CMOS兼容發(fā)光技術(shù)和光子結晶的開(kāi)發(fā)方面的成果也震撼全球。硅光子技術(shù)的應用范圍有望從目前的主要用途——電路板間的數據傳輸擴大到芯片間和芯片內的傳輸。預計這方面的應用將在2020年前后實(shí)現實(shí)用化。

　　“硅光子”已經(jīng)進(jìn)入全面普及階段。利用該技術(shù)，各種光傳輸元件的大部分都可以通過(guò)CMOS技術(shù)集成到硅芯片上注1)。

　　注1)目前只有光源還需利用化合物半導體激光元件。

　　硅光子技術(shù)目前的主要用途是嵌在有源光纜(Active Optical Cable，AOC)*中的光收發(fā)器IC(圖1)。AOC在超級計算機、數據中心以及通信運營(yíng)商的傳輸裝置領(lǐng)域的應用迅速擴大，是用于板卡和設備高速連接的光纜。

圖1：光傳輸的應用范圍將從板卡間擴大到芯片間，再到芯片內

　　本圖為最近和不久的將來(lái)的光傳輸導入領(lǐng)域。名為AOC（有源光纜）的服務(wù)器板卡間通信技術(shù)大部分都是利用硅光子技術(shù)的光傳輸。預計今后芯片間傳輸、CPU內核間以及CPU內核內的全局布線(xiàn)等也將利用光傳輸。（攝影：（a）為美高森美公司（原卓聯(lián)半導體），（b）為L(cháng)uxtera公司，（c）為阿爾特拉）

　　*AOC(Active Optical Cable)=帶光收發(fā)器模塊的光纜。由于耐久性和可靠性高，在2008年前后，這種光纜在高性能計算機市場(chǎng)上的需求開(kāi)始擴大。調查公司Global Information發(fā)布的數據顯示，2011年AOC的全球銷(xiāo)量為30.5萬(wàn)根，銷(xiāo)售額為7000萬(wàn)美元。該公司預測，2016年的銷(xiāo)量將達到78.6萬(wàn)根，銷(xiāo)售額將擴大到1.75億美元。

　　硅光子之所以能在A(yíng)OC用光收發(fā)器領(lǐng)域取得這樣的成績(jì)，是因為可以通過(guò)量產(chǎn)大幅降低成本，這與采用CMOS技術(shù)的半導體產(chǎn)品一樣。而以前的AOC采用的是基于化合物半導體的分立元件，價(jià)格較高。

　　以風(fēng)險公司為中心的市場(chǎng)將發(fā)生變化

　　開(kāi)拓該用途的是美國加州理工學(xué)院成立的風(fēng)險企業(yè)Luxtera，以及同為風(fēng)險企業(yè)的Kotura公司。2008年前后開(kāi)始量產(chǎn)的Luxtera于2012年2月宣布，“已售出100萬(wàn)個(gè)單位通道傳輸容量為10Gbit/秒的光IC”。Kotura也于2013年2月宣布，“光IC的銷(xiāo)量較上年翻了一番、相當于6萬(wàn)通道/月”。從這些出貨量數據來(lái)看，這兩家公司的產(chǎn)品占了AOC市場(chǎng)的相當大一部分注2)。

　　注2) Luxtera與飛思卡爾半導體和意法半導體開(kāi)展合作，Kotura與甲骨文等企業(yè)在技術(shù)開(kāi)發(fā)和制造方面開(kāi)展合作。

　　不過(guò)，該市場(chǎng)將迎來(lái)巨大的變化。因為思科系統和英特爾等企業(yè)相繼涉足該市場(chǎng)。在今后將形成市場(chǎng)的100Gbit/秒傳輸容量的AOC中，預計硅光子將掌握主導權。

　　思科的動(dòng)作非常迅速。該公司2012年2月斥資2.71億美元收購了風(fēng)險企業(yè)Lightwire，同年10月發(fā)布了基于硅光子技術(shù)的、支持100Gbit/秒的光收發(fā)器規格“Cisco CPAK”，2013年3月發(fā)布了安裝有該規格光收發(fā)器模塊的傳輸裝置。

　　英特爾也于2013年1月發(fā)布了采用硅光子技術(shù)的AOC，該產(chǎn)品支持臉書(shū)主導的數據中心行業(yè)標準“Open Compute Project”。

　　芯片間光傳輸大勢所趨

　　預計硅光子市場(chǎng)今后還將日益擴大。肩負AOC“未來(lái)”的市場(chǎng)已經(jīng)初現端倪。AOC主要用于“電路板間”的大容量數據傳輸，而今后，電路板上的微處理器之間以及微處理器與存儲器之間等“芯片間”用途將實(shí)用化。IBM和英特爾現在正在推進(jìn)開(kāi)發(fā)，目標是將其用于2020年前后的超級計算機和服務(wù)器。

圖2：光傳輸和電傳輸的低耗電量化以1cm為分界

　　如果傳輸距離在1cm以上，目前的光傳輸技術(shù)的耗電量小于電傳輸。光傳輸的耗電量主要是光收發(fā)器的電光轉換以及光電轉換消耗的。最近大幅減小了光收發(fā)器的尺寸，因此耗電量也減小了。

　　光傳輸的應用始于長(cháng)距離通信，之后其用途擴大到了短距離通信，取代了電傳輸。在這一點(diǎn)上，采用硅光子的光傳輸也是一樣。預計將來(lái)微處理器內部的“CPU內核間”的數據傳輸也必須要利用硅光子技術(shù)。

　　最近，硅光子技術(shù)在芯片間的應用有了眉目，這主要是因為，利用硅光子制作的光收發(fā)器的耗電量降低了。一般來(lái)說(shuō)，電傳輸是距離越短，所需的電力越少，而光傳輸即使距離縮短，電力也不會(huì )降低太多。因此，二者以耗電量相同的傳輸距離為分界點(diǎn)區分使用。最近，利用硅光子的光傳輸和電傳輸在傳輸距離為1cm時(shí)的耗電量基本相同，因此，在比以前短很多的距離間也有望利用光傳輸(圖2)。

　　比如，2013年3月IBM利用硅光子技術(shù)開(kāi)發(fā)出了耗電量為1pJ/bit的光收發(fā)器IC。預計電傳輸的最低耗電量在傳輸距離為1cm時(shí)約為150fJ(0.15pJ)/bit(圖3)1)。雖然還有好幾倍的差距，但如果只限于光傳輸的各項功能，耗電量比IBM的試制品小2、3位數的技術(shù)也已開(kāi)發(fā)出來(lái)。

圖3：在不遠的將來(lái)，微處理器內核間的傳輸必然要采用光傳輸

    本圖為微處理器的CPU內核間傳輸等的電傳輸技術(shù)和光傳輸技術(shù)的耗電量。今后的高性能微處理器光憑電傳輸將無(wú)法實(shí)現耗電量的要求條件。而在距離為1cm的傳輸中，光傳輸的耗電量與電傳輸基本相同。還出現了各部件的耗電量比電氣方式大幅降低的例子。（攝影：IBM）　

　　在用途方面對硅光子光傳輸的期待也越來(lái)越高。隨著(zhù)以提高微處理器速度為目的的多核化和眾核化的推進(jìn)，必須要大幅增加內存帶寬和CPU內核間的數據傳輸容量。但多核化會(huì )導致CPU內核間的傳輸距離增長(cháng)。而且，傳輸容量必須擴大到與內核內的全局布線(xiàn)相當的程度。對電傳輸而言，條件越來(lái)越苛刻。而對于正處于發(fā)展期的硅光子光傳輸，今后其耗電量還需要大幅降低。(未完待續，記者：野澤哲生，《日經(jīng)電子》)