專(zhuān)家：光互連硅光器件與PIC現狀及趨勢

    ICCSZ訊 由中國計算機學(xué)會(huì )主辦，中國軟件行業(yè)協(xié)會(huì )數學(xué)軟件分會(huì )協(xié)辦，中國計算機學(xué)會(huì )高性能計算專(zhuān)業(yè)委員會(huì )、桂林電子科技大學(xué)共同承辦的2013年全國高性能計算學(xué)術(shù)年會(huì )（HPC China2013）在廣西桂林召開(kāi)。

　　本屆盛會(huì )圍繞著(zhù)高性能計算技術(shù)的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢、高性能計算的重大應用等主題展開(kāi)，促進(jìn)信息化與工業(yè)化的深度融合，為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者提供交流合作、發(fā)布最前沿科研成果的平臺，推動(dòng)中國高性能計算的發(fā)展。本次會(huì )議邀請了美國HPC Advisory Council的加盟，還邀請國內外知名超算中心主任參加，并舉行“云計算”、“大科學(xué)工程中的高性能計算”論壇。中科院半導體研究所研究員俞育德在論壇是作題為《光互連用硅基光子器件與光子集成的現狀和發(fā)展趨勢》報告。

    光子學(xué)是一門(mén)研究光子的產(chǎn)生和運動(dòng)特性、光子同物質(zhì)的相互作用及其應用的前沿學(xué)科，硅光子學(xué)專(zhuān)門(mén)研究硅以及硅基異質(zhì)結材料（諸如sige/si、soi等）等介質(zhì)材料中光子的行為和規律，著(zhù)重研究硅基光子器件的工作原理、結構設計與制造以及在光通信、光計算等領(lǐng)域中的實(shí)際應用?！豆韫庾訉W(xué)》共19 章，分別介紹硅基光子學(xué)基礎、應用和發(fā)展趨勢；硅基異質(zhì)結構和量子結構的物理性質(zhì)、制備方法；硅基光子器件，包括硅基發(fā)光器件、探測器、光波導器件；硅基光子晶體、硅基光電子集成、硅基光互連以及硅基太陽(yáng)能電池。

    對于光互聯(lián)，俞育德說(shuō)，未來(lái)十年的高性能計算機將由電互聯(lián)技術(shù)向光互聯(lián)技術(shù)方向轉變，其原因是光互聯(lián)可以將芯片之間的互聯(lián)距離拉近，而且具有低延遲、多路信號和低功耗等優(yōu)勢。

　　對于光子集成的要求和發(fā)展俞育德提出了四點(diǎn)趨勢。

　　1、 傳輸波長(cháng)的選擇

　　光纖通信的波長(cháng)是由光纖的傳輸窗口決定的，光互聯(lián)的波長(cháng)則由光波導的波長(cháng)來(lái)優(yōu)選。因此光波導的材料、結構和特性將在光互聯(lián)應用中處于決定性的位置。顯然，1.55和2.3微米波段具有許多優(yōu)勢。

　　2、 超高速的要求

　　目前電互聯(lián)中電子器件的速率為10Gb/s左右，并行運算的計算機整機的速率已達到千萬(wàn)億次的高速率。

　　進(jìn)一步對器件的需求是100Gb/s的高速率。光互聯(lián)的超高速率目標位：2015年和2022年終的I/O速率將分別達到82Tbit/s和230Tbit/s.

    3、 低功耗的要求

　　信息網(wǎng)絡(luò )中，Pb/s量級節點(diǎn)的年耗電量將超過(guò)1000億度，比三峽大壩滿(mǎn)負荷發(fā)電量還有。為了在足夠低的芯片能耗下實(shí)現高比特率，要求片外總消耗量~50-170fj/b，器件能量~2-30fj/b，片上總能耗~10-30fj/b，器件能量~2-6fj/b.這些指標比當前的器件水平低3-5個(gè)能量數。

　　4、 集成技術(shù)的途徑

　　硅光子學(xué)的出現給光子集成帶來(lái)了希望。成熟的CMOS工藝提供了極好的技術(shù)基礎，Si、SOI和SiGe等同CMOS兼容，因此應用CMOS工藝制造光子集成回路是最佳的選擇和比由之路。

    硅基半導體是現代微電子產(chǎn)業(yè)的基石，但其發(fā)展已接近極限。而光電子技術(shù)則正處在高速發(fā)展階段，現在的半導體發(fā)光器件多利用化合物材料制備，與硅微電子工藝不兼容，因此，將光子技術(shù)和微電子技術(shù)集合起來(lái)，發(fā)展硅基光電子科學(xué)和技術(shù)意義重大。近年來(lái)，硅基光電子的研究在國內外不斷取得引人注目的重要突破，世界各發(fā)達國家都把硅基光電子作為長(cháng)遠發(fā)展目標。

　　隨著(zhù)微處理器性能呈指數增長(cháng)，以及超大規模集成電路技術(shù)日益逼近它的極限，計算機系統內部通信速度和帶寬落后于處理器芯片運算速度的趨勢日益擴大，銅互連將成為計算機系統整體性能提升的瓶頸。以實(shí)現硅基光電集成為目標的硅基光子學(xué)的不斷成熟有望解決這一難題。

    在超級計算機之外也存在耗電量將成為大問(wèn)題的用途。這就是通信網(wǎng)絡(luò )。雖然其大部分已在使用光通信，但在實(shí)施IP數據包路徑控制的路由器內部卻進(jìn)行著(zhù)“光電或電光間的轉換”以及“利用電信號進(jìn)行IP數據包處理”。據NTT微系統集成研究所介紹，日本通信網(wǎng)絡(luò )的路由器耗電量目前占日本總耗電量的約1%。

　　硅光子技術(shù)的定位已開(kāi)始大幅變化。原來(lái)的光布線(xiàn)及光路以通過(guò)光來(lái)接替實(shí)施電布線(xiàn)無(wú)法實(shí)現的長(cháng)距離數據傳輸的形式實(shí)現實(shí)用化。也就是說(shuō)，光布線(xiàn)的實(shí)用化將按照通信網(wǎng)絡(luò )到服務(wù)器機殼間的連接，再到基板間及基板內的順序推進(jìn)，而硅光子排在最后，一直被認為是僅對高性能處理器的芯片內部進(jìn)行處理的技術(shù)。

    以基于硅光子技術(shù)的IC實(shí)用化為契機，研發(fā)體制也發(fā)生了變化。以往的研發(fā)總的來(lái)說(shuō)是以學(xué)術(shù)機構為中心推進(jìn)的，而如今正在走向以廠(chǎng)商主導的實(shí)用化為目標的真正形式。其中尤其要提到的是意在通過(guò)硅光子技術(shù)使處理器性能得以飛躍性提高的技術(shù)開(kāi)發(fā)，在國家支援體制下，日美歐廠(chǎng)商及研究機構展開(kāi)了激烈競爭。