近日，IBM宣布已成功研製出實用化的矽光學晶片，這項已有二十年發展歷史的技術讓人看到了應用的希望。據稱，他們已將一個矽光集成晶片塞到了與CPU相同的封裝尺寸中，這無疑將矽光子技術提升到了更高的層次，專家預計在半導體工藝達到物理極限，革命性的新計算機尚未出現之前，矽光學技術將負責填補空缺。
歷史：光學透鏡思路一度限制發展
IBM的這一消息令行業再次沸騰，為什麼這些「技術者們」會這麼興奮？矽光子真的可以為人類打開一扇通往新世界的大門？
早在上世紀90年代，IT從業者就開始為半導體晶片產業尋找繼任者。光子計算、量子計算、生物計算、超導計算等概念一時間炙手可熱，它們的目標都是在矽晶片發展到物理極限後取而代之，以延續摩爾定律。
其中光子計算一度被認為是最有希望的未來技術。與半導體晶片相比，光晶片用超微透鏡取代電晶體、以光信號代替電信號進行運算。光晶片無需改變二進位計算機的軟體原理，但可以輕易實現極高的運算頻率，同時能耗非常低，不需要複雜的散熱裝置。與電腦對應，設想中的光學計算機被稱作「光腦」。早年甚至有人預言2015年光腦就會開始取代矽晶片。
但是現實並不盡如人意，科學家和工程師很快就發現製造納米級的光學透鏡是如此困難，想在小小晶片上集成數十億的透鏡遠遠超出了人類現有的技術水平。
好在科研單位並未放棄將光線引入晶片世界的努力。很快人們發現用光通路取代電路來在矽晶片之間傳輸數據是很有潛力的應用方向：光信號在傳輸過程中很少衰減，幾乎不產生熱量，同時可以輕鬆獲得恐怖的帶寬;最重要的是在矽晶片上集成光學數據通道的難度不算太高，不像光子計算那樣近乎幻想。於是從21世紀初開始，以Intel和IBM為首的企業與學術機構就開始重點發展矽晶片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代晶片之間的數據電路。
原理：晶片集成光電轉換和傳輸模塊
以雷射代替電路傳遞數據的技術對普通人來說並不陌生，音頻設備常見的光纖數字接口就是一個典型例子。如今城市新建寬帶網絡已經普遍使用光纖取代了銅纜，大大提升了網絡的接入帶寬。光信號技術有很多優勢，但傳統光學數據設備的體積龐大，難以應用在晶片級的信號網絡中。
矽光學技術的目標就是在晶片上集成光電轉換和傳輸模塊，使晶片間光信號交換成為可能。使用該技術的晶片中，電流從計算核心流出，到轉換模塊通過光電效應轉換為光信號發射到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊晶片後再轉換為電信號。
把複雜的光電轉換模塊縮小到納米尺寸，同時還要能用半導體工藝製造不是容易的事情。雖然實驗室中早有成果，但成品的良率和成本一直難以令人滿意。另一方面，2004年後串行數據電路技術飛速發展，PCIe、QPI、HyperTransport等總線技術提供的帶寬達到很高的水平，也降低了業界對矽光學技術的潛在需求。
直到幾年前，業界發現傳統的銅電路已經接近物理瓶頸，繼續提高帶寬變得越來越困難。同時雲計算產業卻對晶片間數據交換能力提出了更高的要求：數據中心、超級計算機通常會安裝數以千計的高性能處理器，可這些晶片的協同運算能力卻受到晶片互聯帶寬的嚴重製約。
例如一顆Xeon CPU從與自己直接連接的內存中讀取數據的帶寬高達每秒40G字節，但如果是從另一顆Xeon晶片控制的內存中讀入資料，帶寬就會下降一半甚至三分之二。單顆晶片的性能越強、互聯的晶片數量越多，較低的互聯帶寬就越容易成為性能提升的障礙。銅電路不僅帶寬提升困難，功耗和發熱也不可小視，業界對矽光學技術的需求已經到了迫在眉睫的程度。
未來：聽得見的腳步聲
去年，矽光子器件公司Kotura宣布其Optical Engine可以通過使用波分復用實現100Gbps的數據傳輸速率，允許不同波長的多個數據信號共享相同光學通路。此類設備適用於數據中心與高性能計算應用程式，解決基於銅線的乙太網網絡性能不足問題。此外，IBM、Intel與NEC等晶片廠商巨頭也正在開發矽光子器件。一時之間，矽光子被廣泛重視。
2010年，IBM在日本東京發布了其在晶片技術領域的最新突破——CMOS集成矽納米光子學技術，該晶片技術可將電子和光子納米器件集成在一塊矽晶片上，使計算機晶片之間通過光脈衝進行通訊。科學家有望據此研製出比傳統晶片更小、更快、能耗更低的晶片，為億億次超級計算機的研發開闢道路。
2013年9月，Intel、康寧宣布共同研發了新的光纖傳輸技術，300米之內可以做到1.6Tb/s(200GB/s)的驚人速度，這種光纖採用了康寧的ClearCurve LX多模光纖技術，並搭配Intel MXC光學接口，未來可以支持Intel矽光子技術產品。
2013年11月富士通宣布，通過與Intel的大力合作，成功打造並展示了全球第一臺基於Intel OPCIe(光學PCI-E)的伺服器，而其中的核心技術就是Intel苦心研發多年的矽光子。
2014年12月，華為與納米研究中心——比利時的微電子研究中心聯合宣布，聚焦於光學數據鏈路技術，其戰略合作夥伴關係再進一步。這對於矽基光學互連的聯合研究有望帶來諸多益處，包括高速、低功耗和成本節省。
這些行業巨頭都在瞄準矽光子市場，重點開發矽光子技術。強大的背景支持，結合夯實的歷史基礎，矽光子技術戴著閃耀的光環重出江湖。
矽光學技術很快就會在數據中心、超級計算機領域普及。不過在消費級產業這項技術很難有用武之地：智能設備和PC本來就沒那麼多晶片，自然也用不上高大上的晶片間光信號傳輸。新技術將更多以間接的形式影響我們的生活：未來雲計算平臺的性能快速增長可以為普通用戶提供更快更好的信息服務，背後的功臣之一就是矽光學技術。在半導體工藝達到物理極限，革命性的新計算機尚未出現之前，矽光學技術將負責填補空缺。
在整個產業界的努力下，一個個問題正在被突破，業界對矽光子大規模商用也抱有極大的信心，有業內人士預計廣泛應用需要7—10年的時間。（本報記者綜合報導）