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光學工程
硅光子技術:芯片間實現光傳輸

關于在硅晶圓上實現光傳輸的“硅光子”技術,其實用化和研發的推進速度都超過了預期。其中,日本的進展尤其顯著。日本在高密度集成技術和調制器等的小型化方面世界領先,在CMOS兼容發光技術和光子結晶的開發方面的成果也震撼全球。硅光子技術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年前后實現實用化。

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

注1)目前只有光源還需利用化合物半導體激光元件。

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

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

*AOC(ActiveOpticalCable)=帶光收發器模塊的光纜。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上的需求開始擴大。調查公司GlobalInformation發布的數據顯示,2011年AOC的全球銷量為30.5萬根,銷售額為7000萬美元。該公司預測,2016年的銷量將達到78.6萬根,銷售額將擴大到1.75億美元。

硅光子之所以能在AOC用光收發器領域取得這樣的成績,是因為可以通過量產大幅降低成本,這與采用CMOS技術的半導體產品一樣。而以前的AOC采用的是基于化合物半導體的分立元件,價格較高。

以風險公司為中心的市場將發生變化

開拓該用途的是美國加州理工學院成立的風險企業Luxtera,以及同為風險企業的Kotura公司。2008年前后開始量產的Luxtera于2012年2月宣布,“已售出100萬個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的銷量較上年翻了一番、相當于每月6萬通道”。從這些出貨量數據來看,這兩家公司的產品占了AOC市場的相當大一部分注2)。

注2)Luxtera與飛思卡爾半導體和意法半導體開展合作,Kotura與甲骨文等企業在技術開發和制造方面開展合作。

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

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

英特爾也于2013年1月發布了采用硅光子技術的AOC,該產品支持臉書主導的數據中心行業標準“OpenComputeProject”。

芯片間光傳輸大勢所趨

預計硅光子市場今后還將日益擴大。肩負AOC“未來”的市場已經初現端倪。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”用途將實用化。IBM和英特爾現在正在推進開發,目標是將其用于2020年前后的超級計算機和服務器。

如果傳輸距離在1cm以上,目前的光傳輸技術的耗電量小于電傳輸。光傳輸的耗電量主要是光收發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器的尺寸,因此耗電量也減小了。

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

最近,硅光子技術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器的耗電量降低了。一般來說,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,電力也不會降低太多。因此,二者以耗電量相同的傳輸距離為分界點區分使用。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利用硅光子技術開發出了耗電量為1pJ/bit的光收發器IC。預計電傳輸的最低耗電量在傳輸距離為1cm時約為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位數的技術也已開發出來。

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


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