电脑连线变光缆?Intel硅光电技术诞生

    泡泡网CPU频道7月29日 2010年7月28日，Intel研究院在北京介绍了其最新研发成功的硅光电技术，标志着光电连接技术已经开始步入低成本实用化，未来可能给电子产业带来革命性的变化。

Intel研究院院长方之熙致辞

    20世纪60年代，激光器首次问世，它能产生、放大各种光线。发展到今天，人们已经可以利用激光器产生各种超高带宽、超长距离、免受电噪声干扰的激光，以此推动了高速通信的巨大发展。自从1959年集成电路发明以来，大批量、低成本制造高集成、可扩展的电路成为现实，半导体行业不断推动计算性能的提升和成本的降低。如果让在硅材料中传播接近真空光速的激光进入高集成度的硅元件中，进行数据与信号的传输，将会为计算与通信带来怎样的革命？这两者的结合就是硅光电技术。

硅光电连接器

    作为一项新兴技术，硅光电技术（Silicon Photonics）是利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。简单地说，该技术就是用光来替代传统的铜导线传输信号，以获得更高的传输速度。Intel一直在进行硅光电领域的研发工作，致力于通过使用传统CMOS技术制造光通信产品，从而实现计算平台的革命。计算行业引入光学技术将为计算机工作方式及其给人们提供的价值带来革命性的改变。与传统的光通信解决方案相比，硅光电方案能够大幅降低产品尺寸、成本和能源消耗。

    微处理器的发展离不开计算性能和传输性能两个领域的进步。在硅光电技术出现之前，微处理器的计算性能已得到显著提高，但传输性能的相对落后却制约了它的进一步发展。硅光电技术的出现，将在计算和通信技术上带来革命性的变化，并在传感、成像、量子密码学、生物学等诸多领域拥有广泛的运用。

    Intel认为硅光电将成为未来低成本、超高速的计算和通信光互连技术的基础。在过去数年的创新开发历程中，Intel已经实现了一系列的技术突破，为硅光电技术在计算与通信领域的大规模应用奠定了坚实的基础。

 
    从90年代中期开始，Intel就开始进行硅光电技术的研究，但在很长一段时间内都没有太大的进展。由于硅材质更适合电路传输而不是光波，因此通过硅产生激光尤其是连续的激光，是一件非常困难的事情。

    2005年2月，Intel在美国宣布，运用标准硅组件开发了全球先进套能驱动连续光波的硅组件激光技术（continuous wave silicon laser），即“连续波拉曼激光器”。该技术利用拉曼效应（Raman effect）与硅晶结构来放大通过硅组件的激光，将外部光源导入实验的芯片后，产生连续完整的激光束。利用该技术能将低成本、高品质的激光以及光组件带入主流的运算、通讯以及医疗应用领域，制造出低成本的光学组件，以光速在计算机内外部传递数据。

    2007年9月18日，在美国旧金山召开的Intel信息技术峰会（IDF）上，Intel光子学技术实验室总监潘尼西亚透露，Intel已成功研发全新的硅激光调节器，它能够以40Gbps的速度对数据进行编码。这是Intel在硅光电技术上的又一次重大突破。

    硅光调制器是硅光电技术的一部分，简单说来，光源产生的信号搭载大量数据信息通过光波传输到调制器，然后需要探测器来接收这些的信息。潘尼西亚博士在峰会上表明Intel将继续致力于高速度、高灵敏度光学接收器的研发，因为只有突破接收器技术，光信号才能实现真正完整的传输与通讯。

会议由两位博士主讲

    2008年2月，Intel又发布了全球首款“级联拉曼硅激光器”，这是继2005 年Intel展示世界上第一款由硅制成的“连续波拉曼激光器”后，在硅光电领域创造的又一个“世界靠前”。

    与2005年推出的激光器相比，“级联拉曼硅激光器”将“连续波拉曼硅激光器”产生的激光波长延伸到了中红外区，实现了重大的性能提升，从而使Intel的这款新型硅激光器可用于激光光谱学、健康保健、环境监测、生物医学分析、工业流程控制、自由空间通信及温室气体测量等各领域，拥有极为广阔的商业应用前景，并在性能、成本、体积等多方面均具优势。

    2008年12月，Intel公司宣布其研究团队在硅光电领域取得了又一项重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器（Silicon-based Avalanche Photodetector）实现了创世界纪录的高性能，与目前市场上的同类器件相比可大幅度降低成本并提高性能。这款“雪崩硅基光电探测器”使用硅和 CMOS 工艺实现了有史以来最高的 340 GHz “增益带宽积”，这意味着在性能上，硅光电设备首次超越了传统玻璃材质的光纤传输设备。而从成本上考虑，硅材质的光传输设备更适合大批量生产，从而大幅度降低制造成本 。

    2009年9月24日，在美国旧金山Intel信息技术峰会上，Intel公司首席技术官、高级院士兼Intel研究院总监贾斯汀，向人们描绘了2015年利用高速光连线技术的惊人体验。届时，用户将拥有150亿个消费电子设备能够提供电视内容，可供播放的视频将达到成百数千亿个小时。“Light Peak 光峰”技术将提供10Gb/s的高带宽，支持更小的设备接口以及更长、更细、更灵活的主流光连线技术，并可通过单根连线连接任何设备。

    2010年7月27日，Intel已经开发出世界上首个集成了激光器的硅基光电数据联结系统研究原型。与目前的铜缆技术相比，它可以实现更长距离的数据传输以及数倍的速度提升，每秒可传输高达50GB的数据——相当于一部完整的高清电影。

    由于使用铜等金属进行数据传输会产生信号衰减，常规缆线所允许的最大长度十分有限。这极大束缚了计算机的设计，迫使处理器、内存和其他组件相互间的距离必须设置在几英寸以内。现在公布的研究成果，使我们向着以超轻超细光纤替代金属连接线路的目标又前进了一步，从而在更长的距离上传输更多的数据，彻底改变未来计算机的设计方式及数据中心的架构方式。

    硅光电技术将在计算行业实现广泛的应用。例如，家庭娱乐和视频会议也能享受墙体般大小的3D屏幕，未来数据中心或超级计算机的组件可能会分布在整个大楼甚至园区的不同位置，相互之间进行高速通信，完全不同于如今基于容量和传输距离有限的铜线的设计等。这将帮助搜索引擎公司、云计算服务提供商或金融数据中心等数据中心用户提高性能和容量、节约空间与能源成本；或者帮助科学家构建更强大的超级计算机来解决世界面临的重大问题。

    50Gbps硅基光电联结系统包含一个硅发射器和一个接收器芯片，两者都集成了所有必需的构建模块，并融入Intel历年来的多项突破性技术成果，包括与加州大学圣塔芭芭拉分校合作开发的第一个混合硅激光器以及2007年发布的高速光调制器和光电探测器。

    发射器芯片包括四个激光器，通过它们发射的光束分别进入一个光调制器，而后者则以12.5Gbps的速度对数据进行编码。然后，这四条光束将被集中起来并输出到一条光纤内，总的数据传输速率将达到50Gbps。在联结系统的另一端，接收器芯片会对这四条光束进行分离，并导入到各光电探测器中，后者把数据转换回电信号。两个芯片都使用PC行业常用的低成本制造技术进行装配。

    通过提高调制器速度和增加每个芯片激光器数量的方式，Intel研究人员正在努力提高数据传输速率，为未来的TB/s级光学联结系统铺平道路。TB/s级光学联结系统可以在一秒钟内完成一台笔记本电脑中所有内容的传输。

    虽然这项研究与“Light Peak光峰”技术均是Intel整体I/O战略的一部分，但是这两项研究是彼此相互独立的。“Light Peak光峰”技术将在近期内把多协议10Gbps光学联结系统引入Intel的客户端平台中。硅光电学研究旨在利用硅集成技术大幅降低成本、达到万亿级数据传输，让光通信实现更广泛的大规模应用。今天的成果让Intel在实现这一目标的道路上又前进了一大步。

    今天的硅光电技术还只是处于比较初级的阶段，将来发展之后会有更加广泛的应用。扩容数据带宽有两种方式，一是扩大每个通道的频宽，二是增加通道。

    以目前50Gb/s的速度，如果用于互联网连接，意味着你不到1秒可以下载iPhone使用的一部电影。而如果将来速度达到1Tb/s，意味着不到一秒就能下载2-3季完整的高清美剧。

    现在我们电脑的大部分连接系统都是铜缆，如果换成光缆，可以提高连接性能，降低成本和减低热密度。

    这项技术具有美好的前景，实际投入大量运行还需要一段时间，我们有理由期待这项技术给整个行业带来革命性的变化。<