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

　　近日，這3所大學的研究人員宣布，他們已經(jīng)做出了世界第一個采用光互連的處理器。據(jù)稱，該處理器的帶寬密度可達每平方毫米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多萬個晶體管和850個光子學器件，通過這些芯片上的光子學器件，處理器可以直接用光與其他芯片進行通信。

　　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、高性能計算、數(shù)據(jù)中心等高端應用方面，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器件，他們采用了被稱為“零改動”的方式，使用當今生產(chǎn)處理器采用的標準的微電子學制造工藝。所謂“零改動”應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。

　　論文摘要指明，這標志著一個芯片級別的電子光子系統(tǒng)時代的開始，意味著計算系統(tǒng)架構的改變，將推動從網(wǎng)絡基礎設施到數(shù)據(jù)中心，再到超級計算機的更強大的計算機的發(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，一些科技媒體的報道還是進一步披露了更多的相關信息。

　　據(jù)該論文第一作者Chen Sun介紹，該項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薄膜。硅晶有源層包括少量的鍺來制作硅應變，以加速電路傳輸速度。

　　“在此基礎上我們制作了處理器?！彼f。這個處理器采用的是雙核RISC-V架構，該架構源自伯克利研發(fā)的開放的指令集架構，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關鍵部件是一個連接波導的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增強“微型-環(huán)”諧振腔的熱穩(wěn)定性。

　　商品化前景如何？

　　為了使這項技術商業(yè)化，Sun已于2015年5月在伯克利成立了一個創(chuàng)業(yè)公司——Ayar實驗室，開發(fā)面向數(shù)據(jù)中心的芯片。具體而言，SiFive公司負責處理器內核部分的商業(yè)化，Ayar實驗室負責在其上開發(fā)光子學器件。SiFive位于舊金山，是一家基于開放RISC-V處理器架構為客戶提供定制化服務的公司。

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

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

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

　　維維恩還表示，包括開關、濾波器和低功耗延遲線在內的大量光學器件和功能模塊，有朝一日終將改變計算系統(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，只有高性能計算、數(shù)據(jù)中心等高端應用才用得起服務器、存儲之間的光互連。

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

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

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

　　近些年來，網(wǎng)絡與通信廠商開始重視這一領域。2010年2月，思科斥資2.7億美元收購Lightwire公司。2013年5月，作為服務器和存儲端到端解決方案供應商，Mellanox花費8200億美元收購了Kotura。對于Mellanox而言，能否在硅光子學領域站住腳至關重要，因為硅光子學首先顛覆的就是Mellanox當前所在市場。華為也于2013年9月借收購Caliopa公司進入這一領域。

　　值得業(yè)界關注的是Luxtera公司。這家公司從2001年成立起就專注于硅光子學的研究。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。這次三所大學的研究之所以引起廣泛關注，是因為這是首次演示了處理器與存儲芯片之間的光通信。這督促相關的IT企業(yè)加快在這一領域的產(chǎn)品開發(fā)進程，從而使得廣大用戶可以更快地享受到硅光子學器件帶來的好處。

　　當初，基爾比和諾伊斯相差幾個月相繼獨立發(fā)明了集成電路，諾貝爾獎最終被基爾比拿走。事實上，基爾比發(fā)明的集成電路工藝根本不具備實用性。即使到了今天，主流的半導體工藝依舊使用的是諾伊斯當初發(fā)明的工藝。然而，諾貝爾獎只認第一個是誰。

　　同時，我們也應該意識到，從樣品的演示到商品化，是一個充滿挑戰(zhàn)的過程，特別是在半導體這樣資金密集和技術密集型的領域。

　　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”這一領域。