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大規(guī)模并行處理和低能耗技術(shù)對(duì)于高性能計(jì)算的未來(lái)至關(guān)重要。集成光子技術(shù)有望為高性能計(jì)算提供技術(shù)支持。

Jeff Hecht

集成光學(xué)的概念是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Stewart Miller于1969年首先提出的，這一概念源于當(dāng)時(shí)已經(jīng)取得了巨大成果的集成電路^[1]。然而在隨后的多年中，集成光學(xué)及其派生的集成光子學(xué)的應(yīng)用前景一直不明朗。目前集成電路正遭遇到性能上的發(fā)展瓶頸，而集成光子學(xué)則有望克服這一瓶頸，這也使集成光子學(xué)的應(yīng)用趨于明朗。

幾十年來(lái)，集成電路一直都在遵循著摩爾定律向前發(fā)展，微處理器的速度不斷攀升。但是在21世紀(jì)中期，微處理器的時(shí)鐘頻率在3GHz附近停滯不前，這是因?yàn)楫?dāng)微處理器的速度進(jìn)一步提高時(shí)，其產(chǎn)生的熱量將超出其散熱能力。多核處理器是一種解決方案，四個(gè)3GHz的芯片并行計(jì)算，即可獲得12GHz的總處理速度。然而多核處理的缺點(diǎn)在于其軟件和硬件均不能過(guò)分?jǐn)U展，現(xiàn)在執(zhí)行串行處理的軟件必須重寫(xiě)，才能在8核或16核芯片上執(zhí)行并行操作^[2]。ADI公司首席技術(shù)官Samuel Fuller認(rèn)為，集成光子學(xué)在硬件上可以提供大量互聯(lián)。

圖1：單處理器的性能從1986年開(kāi)始穩(wěn)步上升，直到大約2004年突然趨于平緩。單點(diǎn)表示處理器的性能，實(shí)線(xiàn)表示發(fā)展趨勢(shì)，虛線(xiàn)表示2009-2020年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖的發(fā)展目標(biāo)。

 電子、光子及能源

集成光子學(xué)的通信能力和集成電子學(xué)的高性能計(jì)算能力互為補(bǔ)充。電子之間的強(qiáng)相互作用使得晶體管擅長(zhǎng)開(kāi)關(guān)和信號(hào)處理。但是電子之間的強(qiáng)相互作用同時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，并增加信號(hào)傳輸中的衰減（特別是在高頻的時(shí)候），從而影響通信能力。相比之下，光子之間的弱相互作用使其光計(jì)算應(yīng)用受到了限制，但是其可以減少光通道之間的噪聲、衰減和串?dāng)_。因此，將光子技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將有望增強(qiáng)并行處理能力。

無(wú)論是光子技術(shù)還是電子技術(shù)，每次運(yùn)算操作都將產(chǎn)生熱量，功耗將限制高度并行計(jì)算機(jī)的性能。Fuller認(rèn)為：“服務(wù)器消耗了超過(guò)1.5％的美國(guó)電力供應(yīng)，從單元能耗的角度看，CMOS電路的能耗效率并沒(méi)有隨著其速度的增加而提高。海量數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)將消耗20MW或者更多的電力，而且這些數(shù)字只會(huì)上升。如果消費(fèi)者希望在未來(lái)十年內(nèi)計(jì)算速度提高10倍的話(huà)，若效率保持不變，那么其能耗將相當(dāng)驚人！”

美國(guó)麻省理工學(xué)院微光子技術(shù)中心在2010年6月公布的白皮書(shū)中直言不諱地表示：“IT技術(shù)的能耗問(wèn)題與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，同時(shí)也關(guān)乎經(jīng)濟(jì)發(fā)展^[3]。IT硬件的生命周期通常為三年，能耗占據(jù)了其中50%的成本。控制能耗將推動(dòng)產(chǎn)品周期的縮短、實(shí)現(xiàn)高密度電子光子集成。”

圖2：英特爾建立的四通道粗波分復(fù)用光子集成鏈路，傳輸速度高達(dá)50Gbit/s。

光子集成通信

在電子技術(shù)中，電子通過(guò)導(dǎo)體需要能量，而且隨著頻率的增加而增加。導(dǎo)體表面產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致串?dāng)_、干擾及衰減，所有這三個(gè)因素都將增加能耗。相比之下，光子技術(shù)具有更低的衰減和更高的帶寬，因此在芯片之間（最終在芯片內(nèi)部）使用光互連可以大幅度降低功耗。Fuller認(rèn)為：“光子技術(shù)有望將功耗減少到原來(lái)的1/2甚至1/4，但是光子技術(shù)同樣面臨著目前電子技術(shù)所面對(duì)的功耗每18個(gè)月翻一番這一問(wèn)題”。

集成光子技術(shù)可以提高高性能計(jì)算的帶寬密度，帶寬密度定義為芯片表面單位橫截面積或者芯片邊緣單位長(zhǎng)度上的帶寬。麻省理工學(xué)院的研究人員Lionel Kimerling認(rèn)為：“光子學(xué)具有內(nèi)在的高帶寬密度特性，其與先進(jìn)的調(diào)制格式和波分復(fù)用（WDM）技術(shù)相結(jié)合，可以使光子技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電子技術(shù)所能達(dá)到的水平”。

硅光子集成技術(shù)

目前商用的高性能計(jì)算機(jī)底板已經(jīng)開(kāi)始采用光纖鏈路。光子技術(shù)的下一步是將光子波導(dǎo)集成在電路板上。

目前III-V族半導(dǎo)體材料上的光子集成技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是電子行業(yè)希望在硅襯底上集成光子器件，這是因?yàn)楣枰r底與微處理器和其他大多數(shù)電子電路的標(biāo)準(zhǔn)兼容。硅光子集成技術(shù)中，二氧化硅波導(dǎo)可以取代電導(dǎo)分發(fā)時(shí)鐘信號(hào)。硅光子集成的最簡(jiǎn)單技術(shù)是制造光電探測(cè)器和波導(dǎo)。ADI公司已經(jīng)在硅片上集成硅或鍺光電二極管和跨阻抗放大器，這些技術(shù)均與目前的電子制備技術(shù)兼容。

硅光子集成技術(shù)目前面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是硅光源，這是因?yàn)楣璧陌l(fā)光性能很差。英特爾公司和加州大學(xué)圣巴巴拉分校研究人員合作將III-V材料綁定在硅波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)混合激光器。硅光子集成技術(shù)的另一大挑戰(zhàn)是封裝技術(shù)，通過(guò)透鏡耦合可以將光從光子通道耦合到芯片表面，但是這比電子技術(shù)的電焊連接要困難得多。

圖3：英特爾的50Gbit/s硅光子發(fā)射器和光纖連接器。右邊的寬金屬條紋是發(fā)射模塊，其是電路板一個(gè)倒裝芯片。突起的金屬引腳對(duì)準(zhǔn)小插件模塊，耦合光纖延左下方延伸。

 集成光子和電子

英特爾公司首次實(shí)現(xiàn)了從終端到終端的硅光子集成鏈路，這是硅光子集成發(fā)展道路上的重要一步^[4]。該實(shí)驗(yàn)采用四通道粗波分復(fù)用器（CWDM），通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)從發(fā)射器到接收器的完整鏈路。該鏈路發(fā)射器包括四個(gè)InP/Si混合激光器，輸出波長(zhǎng)分別為1291nm、1311nm、1331nm和1351nm。四個(gè)激光器發(fā)出的光分別進(jìn)入四個(gè)硅波導(dǎo)調(diào)制器，然后四個(gè)調(diào)制器的輸出信號(hào)在復(fù)用器進(jìn)行合并。一個(gè)光模式轉(zhuǎn)換器將復(fù)用器輸出的信號(hào)耦合進(jìn)入光纖。接收芯片中的波導(dǎo)收集信號(hào)后傳入解復(fù)用器，它將四個(gè)光通道的信號(hào)導(dǎo)入四個(gè)硅鍺光電二極管。整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)被動(dòng)散熱片，但沒(méi)有主動(dòng)致冷單元。

當(dāng)四個(gè)波長(zhǎng)上同時(shí)傳輸10Gbit/s的信號(hào)時(shí)，在平均接收功率小于1mW情況下，整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率低于10^-12。當(dāng)單通道的傳輸速率提高到12.5Gbit/s時(shí)，三個(gè)通道的誤碼率低于10^-12，第四個(gè)通道的誤碼率為3×10^-10。研究人員推測(cè)該鏈路中采用多模光纖，在該速率下傳輸距離將達(dá)到50 m。^[5]

前景展望

硅基光互連的是長(zhǎng)途光纖傳輸?shù)难由�。短距離傳輸相比長(zhǎng)距離傳輸具有較少的制約因素。硅基光互連在移動(dòng)電子產(chǎn)品和汽車(chē)以及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也具有誘人的應(yīng)用潛力。然而，目前光子技術(shù)從主干網(wǎng)向電路板和芯片的延伸過(guò)程中，正面臨著巨大的挑戰(zhàn)，包括成本、與硅制造技術(shù)的兼容性和能耗等問(wèn)題。

集成光子技術(shù)和并行計(jì)算均不可能通過(guò)降低能耗維持高性能計(jì)算的快速提高；在未來(lái)十年中，CMOS電路也將遭遇其他物理極限。集成電子技術(shù)和光子技術(shù)的新型硬件，將有望在未來(lái)扮演主要角色。

參考文獻(xiàn)

1. S.E. Miller, "Integrated Optics – An Introduction," Bell System Technical Journal, 48, 2059–2069 (September 1969).

2. S.H. Fuller and L.I. Millett, eds., The Future of Computing Performance: Game Over or Next Level, National Research Council (2010); http://bit.ly/eR0e0A.

3. MIT Microphotonics Center, "Scaling Limits and Energy: CTR III White Paper #1" (June 2010).

4. R. Won, "Integrating silicon photonics," Nature Photon., 5, 498–499 (August 2010).

5. A. Alduino et al., "Demonstration of a high-speed 4-channel integrated silicon photonics WDM link with hybrid silicon lasers," Optical Society of America Integrated Photonics Research Silicon and Nanophotonics, Monterey, CA, paper PDIWI5 (July 25, 2010).