來源：悅智網
作者：Anthony F.J. Levi
如果你認為當今時代正處於技術革命的風口浪尖，那麼請回想一下20世紀80年代中期，那時矽片使用的是微米級電晶體，光纖系統在世界各地以每秒鐘數萬億比特的速度傳送數據。
綜合矽數字邏輯、光電子學以及光纖通信技術的潛力，一切似乎皆有可能。
按照當時工程師們的設想，這些技術將持續發展和融合，直到光子技術與電子技術相結合，並最終取代電子技術。光子技術不僅可以實現跨國數據傳輸，還可以在數據中心之間甚至是計算機之間傳輸數據。工程師們認為，通過光纖可以在晶片間傳輸數據，甚至設想出了光子晶片：很多人都期待將來有一天極速邏輯晶片可以利用光子而非電子。
但是，這樣的設想並未實現。企業和政府曾投入億萬美元用於研究新型光器件和系統，利用光纖將數據中心內部計算機伺服器的機架連接起來。誠然，很多現代數據中心的機架都利用這些光設備進行連接。然而光子技術也就到此為止了。在機架內部，單個伺服器板仍然使用廉價的銅纜和高速電子器件相互連接。當然，在電路板上，連接處理器的都是金屬導線。
將光子技術推向伺服器本身、用光纖直接連接處理器的嘗試，因經濟原因觸礁而失敗了。根據市場調研公司光計數公司（Light Counting）的調查，乙太網光收發設備市場規模已達到年均40億美元，到2020年這個市場將擴大到近45億美元和5000萬套器件，這不可否認。但是時至今日，光子技術仍未解決數據中心計算機機架與處理器晶片間最後幾米的問題。
不過，光子技術的巨大潛力意味著仍有希望。雖然技術挑戰仍十分巨大，但數據中心設計的新思路為大數據時代的光子技術革命提供了一條看似可行的道路。
在當今的數位化世界中，無論是上網、觀看網絡電視，還是做任何其他事情，人們所使用的數據流都會經過光電收發器。光電收發器的作用是實現光電信號的相互轉換。在各大雲服務提供商及社交媒體公司的數據中心內部，這些收發器就位於用於在數據中心之間傳輸數據的光纖的端點處。收發器與每個伺服器機架頂部的交換設備相連接，將光信號轉化為電信號並傳輸到該機架中的伺服器組。收發器也會將來自伺服器的數據轉化為光信號並傳輸到其他機架，或者通過網絡交換機上傳到網際網路。
每個光電收發器包括3種主要部件：包含一個或多個光調製器的發送裝置；包含一個或多個光電二極體的接收裝置；以及進行數據編解碼的互補金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯晶片。由於普通的矽不適於發光，因此光子來源於從矽晶片分離出來的雷射器（不過雷射器可以與矽晶片封裝在一起）。這樣，就可以不再通過開關雷射器來表示比特，而是雷射器保持開啟狀態，通過光調製器將電子比特編碼到雷射中。
光調製器是發送裝置的核心，種類頗多。有一種特別小巧的調製器，被稱為馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）調製器。這種調製器通過一根狹窄的矽波導管傳輸雷射。波導管一分為二，在幾毫米之後又合二為一。一般來說，這樣的分流與合流不會影響光輸出，因為波導的兩個分支是等長的。當分支合二為一時，兩束光波的相位依然相同。但是，在某一分支上施加電壓會改變其折射率，從而有效降低或提高光波傳輸速度。這樣一來，當兩束光波再次相遇時，彼此產生相消幹擾，從而抑制信號。因此，改變某一分支的電壓，實際上就是在利用電信號調製光信號。
接收裝置的構造就簡單多了，包括一個光電二極體還有一些支持電路。光信號經由光纖傳輸到達接收裝置的鍺二極體或矽鍺二極體，二極體在每一個光脈衝的作用下產生電壓。
發送裝置和接收裝置均設有電路，通過電路進行信號放大、數據包處理、糾錯，執行緩存及其他任務，使光纖符合千兆乙太網的標準。這些裝置與光元件是否位於同一晶片或同一封裝中，隨供應商的不同而有所不同。但是大多數電子邏輯與光元件是分離的。
隨著矽集成電路上光學元件的應用逐漸增加，也許你會認為將光技術與處理器晶片直接結合是必然趨勢。確實，有一段時間的確看似如此。
但事實上，人們完全輕視乃至忽略了一個事實：電子邏輯晶片的最小特徵尺寸縮小的速度，與光子技術與其保持同步的能力之間，存在越來越大的差距。如今電晶體的特徵尺寸僅為幾納米。利用7納米CMOS技術，在晶片上1平方微米的區域可集成100多個通用邏輯電晶體，這還不包括電晶體上迷宮般複雜的銅連接線。在每個晶片上，除了數幾十億個電晶體，還需要十幾層金屬連線將這些電晶體連接起來，形成寄存器、放大器、算術邏輯單元，以及構成處理器核心和其他重要電路的複雜單元。
問題是，一個標準光組件，比如調製器，其尺寸不得小於所傳輸光的波長，這將尺寸限制在約1微米寬。摩爾定律無法解決這個問題，越來越先進的光刻技術也無能為力。這僅僅是因為電子非常「瘦」，波長僅為幾納米，而光子相對較「胖」。
既然如此，晶片製造商就不能幹脆集成調製器，減少電晶體數量嗎？畢竟現在晶片上有數十億個電晶體。答案是：不可以。矽電子晶片每平方微米的面積承載著龐大的系統功能，即便僅用較低功能的元件（比如光元件）來替換少量的電晶體，造價也會十分昂貴。
具體計算方式是這樣的。假如每平方微米的晶片上平均有100個電晶體，一個光調製器所佔的面積為10微米×10微米，那麼它取代的將是包含1萬個電晶體的電路！還記得吧，一個標準的光調製器只是一個簡單的開關裝置，負責開啟或關閉光束，而每個電晶體都可以作為開關來開關電流。因此粗略估算，光子元件與電子元件相比，這一基礎開關功能的機會成本是10000:1，因為相對於前者的一個光調製器，系統設計人員在面對後者時至少有1萬個電子開關可以選擇。即使調製器與處理器直接集成可以改善性能和效率，也沒有晶片製造商會接受如此高昂的成本。
用光子元件替換晶片上的電子元件還存在其他障礙，比如，光子元件並不能夠提供晶片所需的某些關鍵功能（比如存儲）。結論是光子元件與基本計算機晶片功能不兼容。即使不是這樣，用光子代替發揮同等功能的電子也毫無意義。
這並不是說光子技術無法進一步接近處理器、存儲器以及其他重要晶片。目前，裝有光收發模塊的架頂（TOR）交換機正在引起數據中心光互聯技術市場的關注，架頂交換機裝在2米高的機架頂部，機架內有伺服器晶片、存儲器和其他設備資源。光纖通過單獨的交換層與其他TOR交換機相互連接。這些交換機再與另外一組數據中心網關交換機相連，接到網際網路。
通過嵌有收發模塊的典型TOR面板可了解其傳輸的數據量。每個TOR交換機連接一個收發模塊，每個收發模塊與兩條光纖相連（一條用於發送，一條用於接收）。每個45毫米高的TOR面板上可以嵌入32個模塊，每個模塊每個方向的數據傳輸速度可達每秒40千兆比特。這樣，兩個機架之間的數據傳輸速度就可達每秒2.56太比特。
但是機架內部以及伺服器內部的數據流傳輸依舊使用銅線。很遺憾，這成為建立更快、更節能系統的一個障礙。採用光子技術方案解決伺服器或是處理器連接的最後一米（或兩米）問題，可能是開發大規模光器件市場的最佳機遇。但是在此之前，還需要攻克價格和性能方面的一些難題。
光纖接入處理器（fiber to the processor）方案並不新奇。過去有很多嘗試，在成本、可靠性、功率以及帶寬密度等方面留下了不少經驗教訓。例如，大約15年前，我曾參與設計建造一臺試驗性寬帶收發器。試驗希望將12根光纖寬的平行光纖條帶連接入處理器。每根光纖都傳輸數位訊號，信號分別由4個垂直腔面發射雷射器（VCSEL）產生。這種雷射器是一種由晶片表面發射雷射的二極體，雷射產生密度比邊發射雷射器（edge-emitting lasers）更大。4個垂直腔面發射雷射器通過開關光輸出對信息進行編碼，並且它們在同一條光纖中以不同的波長進行傳輸，這種粗波分復用技術可使光纖的容量翻兩番。因此，每個垂直腔面發射雷射器的數據傳輸速度可達到每秒25千兆比特，系統總帶寬可達到每秒1.2太比特。根據目前的工業標準，12根光纖並排排列，相鄰兩根光纖的間隙寬為0.25毫米，因此帶寬密度約為0.4太比特/秒/毫米。也就是說，1毫米寬的光纖100秒內可以處理美國國會圖書館網絡檔案小組一個月所存儲的信息。
目前光纖接入處理器應用所需的數據速度比這還要高，但是這已經是一個很好的開端。那麼為何這項技術當時沒有得到應用呢？部分原因是製造的系統既不可靠又不可行。那時還很難製造出收發器所需的48個垂直腔面雷射器，也很難保證收發器在使用壽命期內不出現故障。事實上，一個重要教訓就是，設計配用多臺調製器的單個雷射器要比48個雷射器更可靠。
而如今，垂直腔面發射雷射器的性能已有所改善，基於這項技術的收發器能夠有效提供適合數據中心的短距離解決方案。此外，可以用多芯光纖代替光纖條帶。多芯光纖可將等量的數據分流到主光纖內嵌的多根光纖芯中。最近的另一項進展是發布更複雜的數字傳輸標準，如PAM4通過四級光強度而不是兩級光強度對信息進行編碼，提高了數據傳輸速度。還有一些科研項目（例如麻省理工學院的Shine項目）正在努力提升光纖接入處理器示範系統的帶寬密度，使之達到我們15年前獲得的數值的17倍。
但是這些進展加起來仍不足以使光技術在處理器上的應用更進一步。不過我認為，隨著日漸興起的數據中心系統架構改造，這一步遲早會實現。
目前，數據中心機架中的刀片伺服器中有處理器、內存以及存儲器。其實不必如此，內存可不與伺服器晶片放在一起，而是單獨放在一個機架上，甚至放在不同的機架上。人們認為機櫃架構（RSA）能夠更有效地使用計算機資源，使硬體管理和更換的任務得到簡化，尤其適用於臉書這樣的大型社交媒體公司，在這類公司中，特殊應用所需的計算量和內存會隨著時間的推移不斷增長。
為何這一架構可幫助光子技術取得突破呢？因為新一代高效、廉價、速度可達每秒太比特的光開關技術剛好可以實現那種動態資源配置和可重構性。
這種數據中心重建方式的主要障礙是器件的價格以及生產成本。矽光子技術已經具備一項成本優勢，即可利用現成的晶片生產線，利用矽的龐大基礎設施及可靠性。但矽與光的結合併非完美：矽發射光的效率低，矽的光損耗也很嚴重。通過對光輸入和輸出進行測量，一個標準的矽光子收發器至少會產生10分貝（90%）的光損耗。但這種低效率並不影響TOR交換機之間的短距離連接，因為至少在目前，矽潛在的低成本優勢勝過了存在的問題。
矽光模塊的一項主要成本源自不起眼卻又十分重要的光連接器。光連接不僅包括光纖與接送裝置晶片之間的連接，還包括光纖之間的連接。每年必須生產數億個極高精度的光纖連接器才能滿足需求。具體精度有多高呢？用於光連接器的單模矽玻璃纖維直徑為125微米，略大於一根頭髮的直徑。而連接器中這種單模光纖必須達到的精確度是100納米，僅為一根頭髮直徑的1/1000，否則信號就會被大大削弱。光纖之間以及光纖與收發器之間光連接器的生產方式仍需進一步創新，以滿足客戶對精確度與低成本的需求。但是，幾乎沒有生產技術能夠滿足這種物美價廉的需求。
降低成本的方式之一當然是降低光學模塊中晶片的價格。生產晶片的方法有許多種，一種稱為矽片集成（wafer-scale lntegration）的技術有助於降低成本。矽片集成技術是在一個矽片上製造光子，在另一個矽片上製造電子，然後將兩個矽片粘在一起。隨後，將成對的矽片切成晶片，再製造成幾乎完整的模塊。（由非矽半導體製作的雷射器保持單獨放置。）這個方法可以做到組裝與生產並行，從而降低成本。
降低成本的另一個因素當然是生產規模。假設光千兆乙太網市場的總規模為每年5000萬個收發器，而每個光收發器晶片的面積為25平方毫米；再假設工廠使用直徑為200毫米的矽片進行生產，且產出率達到100%，那麼所需的矽片數量為4.2萬。
聽起來很多，但是這個數字還不及一家標準工廠兩周的生產量。事實上，一個收發器生產商即使擁有1/4的市場佔有率，也只能維持幾天的生產。要降低成本，就需要提高生產量。要做到這一點，唯一的辦法是將光技術應用到架頂交換機下面伺服器內部的處理器中。
矽光技術要在現有全電子系統中搶佔機遇，必須要有技術和商業兩方面的強大優勢。這種器件必須能夠解決一個重大難題，並顯著改善整個系統。它還必須小巧、節能，擁有超高的可靠性，並必須以極快的速度傳輸數據。
目前尚未有滿足上述這些要求的解決方案，因此電子技術仍會繼續發展，而不必與光子緊密結合。如果沒有重大突破，在由「瘦」電子主宰的功能系統中，「胖」光子仍無一席之地。但是，如果能大量、低成本地可靠生產光器件，那麼數十年來對於光纖接入處理器技術及相關架構的設想就能夠成為現實。
在過去的15年中我們已取得了很多進展。我們對光子技術有了更好的理解，對於它在數據中心哪裡可用、哪裡不可用有了更深刻的認識。此外，一個可持續的、每年可達數十億美元的光器件商業市場已經形成。光連接已經成為全球信息基礎設施的重要部分。但是目前，在現有電子系統核心部分中應用大量光器件的設想尚不可行。
那麼未來會一直如此嗎？我想不會。
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