硅光子学“入侵”处理器

　　尽管早在2014年6月英特尔就宣布，将在下一代至强Phi处理器中引入基于硅光子学的内部互连技术Omni Scale Fabric，但最终还是被麻省理工学院、加州大学伯克利分校和科罗拉多州大学的研究人员抢了头筹。

　　临近2016年新年，这3所大学的研究人员宣布，他们已经做出了世界第一个采用光互连的处理器。据称，该处理器的带宽密度可达每平方毫米300Gb，是现有处理器传输速率的10～50倍。

　　论文摘要见端倪

　　这一研究成果是去年12月23日出版的《自然》杂志披露的。这篇名为《直接使用光通信的单芯片处理器》的论文提要显示，该芯片在18(3×6)平方毫米的面积上集成了7000多万个晶体管和850个光子学器件，通过这些芯片上的光子学器件，处理器可以直接用光与其他芯片进行通信。

　　众所周知，高带宽和低功耗使得光通信不仅用在越洋海底光缆、高性能计算、数据中心等高端应用方面，甚至也通过光纤到户来到寻常百姓家。但是，光通信设备的体量长期以来一直是阻碍光互连普及的主要障碍。

　　该论文作者称，有别于开发专用制造工艺来制造这些光子学器件，他们采用了被称为“零改动”的方式，使用当今生产处理器采用的标准的微电子学制造工艺。所谓“零改动”应该指的是新的处理器制造工艺与现有的CMOS工艺是兼容的，从而为大规模生产奠定了基础。

　　论文摘要指明，这标志着一个芯片级别的电子光子系统时代的开始，意味着计算系统架构的改变，将推动从网络基础设施到数据中心，再到超级计算机的更强大的计算机的发展。

　　虽然论文摘要仅披露了上述信息，但是在论文发布后，一些科技媒体的报道还是进一步披露了更多的相关信息。

　　据该论文第一作者Chen Sun介绍，该项目组首先是在硅衬底上制作了200纳米厚的二氧化硅层，用来作为绝缘层。在此之上是100纳米的硅晶有源层，再上面则是100纳米的氮化物层和电介质薄膜。硅晶有源层包括少量的锗来制作硅应变，以加速电路传输速度。

　　“在此基础上我们制作了处理器。”他说。这个处理器采用的是双核RISC-V架构，该架构源自伯克利研发的开放的指令集架构，芯片上还包括容量为1MB的SRAM。该芯片是在45纳米生产线上制造的。

　　Sun表示，芯片中光子部分的一个关键部件是一个连接波导的10微米长的“微型—环”谐振腔，它在激光发射和光探测上非常重要。尽管“微型—环”谐振腔已经问世一段时间，却被产业界人士所忽略，原因在于一旦受热，“微型—环”谐振器就会产生漂移，从而偏离了工作波长。他们通过光探测器和控制器来主动增强“微型-环”谐振腔的热稳定性。

　　商品化前景如何？

　　为了使这项技术商业化，Sun已于2015年5月在伯克利成立了一个创业公司——Ayar实验室，开发面向数据中心的芯片。具体而言，SiFive公司负责处理器内核部分的商业化，Ayar实验室负责在其上开发光子学器件。SiFive位于旧金山，是一家基于开放RISC-V处理器架构为客户提供定制化服务的公司。

　　Ayar已经获得了2015年麻省理工学院清洁能源奖。Sun表示，最快有可能在两年内将处理器推向市场。

　　“这是一个里程碑，它是第一个可以使用光与外部世界通信的处理器。”领导这个项目的加州大学伯克利分校教授斯托扬诺维奇(Stojanovic)表示，“而其他处理器不具备光子学的输入/输出(I/O)。”

　　也有人对此表示质疑。这篇论文发布在《自然》杂志网页上后，巴黎南大学基础电子研究所光子学研究人员劳伦特·维维恩(Laurent Vivien)评论说，在这个“零改动”应用于商业化产品之前会遇到两项挑战：首先是2.6Gpbs的片上光学通信速率与当今硅光子学已获得的传输速率相比，还是相对慢了，如果增加这个SoC芯片中光学调制器和光学探测器之间的带宽，势必要增加存储器与处理器之间的连接；其二，未来还需要一个多波长光学线路来解决互连瓶颈。

　　维维恩还表示，包括开关、滤波器和低功耗延迟线在内的大量光学器件和功能模块，有朝一日终将改变计算系统。

　　产业发展需要真功夫

　　尽管人们很早以前就看到了光通信高带宽和低功耗的突出优势，但光学器件中的光路系统还是难以放弃玻璃等传统材料。如果按照传统的方式，只是在物理尺寸上下工夫，只有高性能计算、数据中心等高端应用才用得起服务器、存储之间的光互连。

　　硅光子学是近几年来的热点之一。它采用当今主流的CMOS硅工艺替代了传统的光机加工方式，来实现光通信中的核心器件激光器，以及相关的光路元件。其中以控制载流子浓度实现电光调制，堪称脑洞大开的创新。

　　采用CMOS工艺使得光通信系统得以集成到芯片内部，同时大大降低生产成本，进而使得该技术的普及成为可能。由于完全使用的是硅工艺，也就是通常所说的微电子学技术，硅光子学(Silicon Photonics)又被翻译为硅光电子学。

　　实际上，英特尔、IBM、甲骨文等IT企业在这一领域研究多年，其中英特尔的研究人员早在2004年就在《自然》杂志上发表了相关的论文。

　　近些年来，网络与通信厂商开始重视这一领域。2010年2月，思科斥资2.7亿美元收购Lightwire公司。2013年5月，作为服务器和存储端到端解决方案供应商，Mellanox花费8200亿美元收购了Kotura。对于Mellanox而言，能否在硅光子学领域站住脚至关重要，因为硅光子学首先颠覆的就是Mellanox当前所在市场。华为也于2013年9月借收购Caliopa公司进入这一领域。

　　值得业界关注的是Luxtera公司。这家公司从2001年成立起就专注于硅光子学的研究。到了2012年，该公司宣布开放其基于CMOS的硅光子器件制程及其器件库。与ARM采用的商业模式相似，Luxtera允许用户使用Luxtera的制程和器件库，开发用户自己的芯片。

　　硅光子器件在业界已经不是新鲜事了。这次三所大学的研究之所以引起广泛关注，是因为这是首次演示了处理器与存储芯片之间的光通信。这督促相关的IT企业加快在这一领域的产品开发进程，从而使得广大用户可以更快地享受到硅光子学器件带来的好处。

　　当初，基尔比和诺伊斯相差几个月相继独立发明了集成电路，诺贝尔奖最终被基尔比拿走。事实上，基尔比发明的集成电路工艺根本不具备实用性。即使到了今天，主流的半导体工艺依旧使用的是诺伊斯当初发明的工艺。然而，诺贝尔奖只认第一个是谁。

　　同时，我们也应该意识到，从样品的演示到商品化，是一个充满挑战的过程，特别是在半导体这样资金密集和技术密集型的领域。

　　尽管从样品到商品，还充满着各种不确定因素，但希望它能够“激活”这一领域。

　　本报记者 马文方

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……