如果要問：什么技術(shù)讓思科、富士通、英特爾、IBM、甲骨文這些在IT不同領(lǐng)域中稱王稱霸的廠商能夠趣味相投？答案盡人皆知——云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)，這是當下的產(chǎn)業(yè)熱點。

上述產(chǎn)業(yè)熱點不僅讓人們重新認識數(shù)據(jù)的價值，也讓數(shù)據(jù)對計算資源的需求變得更為貪婪，而其中數(shù)據(jù)傳輸帶寬已經(jīng)成為計算性能提高的瓶頸。

但要問這些廠商下一步的興趣點在哪里？知道硅光電子學這個名詞的人就不多了。未來，首先是云計算、大數(shù)據(jù)這樣的后臺應用，然后是移動互聯(lián)網(wǎng)等個人計算設(shè)備都將與硅光電子學密不可分。

事實上，從2004年英特爾實驗室在《自然》雜志上發(fā)文宣布硅光電子學實質(zhì)性的突破——1Gbps硅光調(diào)制器研制成功到今天，已經(jīng)整整十年。這十年是硅光電子學逐步走向成熟的十年。

在2013年5月慶祝以太網(wǎng)誕生40周年儀式上，博通公司創(chuàng)始人兼CTO Henry Samueli在接受媒體采訪時表示，硅光電子學在網(wǎng)絡(luò)交換中是一項非常重要的技術(shù)，因為現(xiàn)有的電子交換方式在功耗和用電成本上變得日益昂貴，因此，在超越Tbps時，硅光電子學將會變得很有意義。

而作為計算廠商的甲骨文比網(wǎng)絡(luò)廠商博通更加樂觀，同樣是在2013年，甲骨文硅光電子學首席技術(shù)專家A.V. Krishnamoorthy表示，未來五年內(nèi)，所有的服務器都將在25Gbps或更快一點的速率上相互連接。

最新的消息是今年6月中旬，美國《商業(yè)周刊》報道說，惠普實驗室將其研發(fā)經(jīng)費的75%投入到名為“機器”（The Machine）的下一代計算架構(gòu)研發(fā)項目中。在這個大賭注中，將會有全新的操作系統(tǒng)、新型的內(nèi)存和超快的總線/外設(shè)互連，而這一超快的互連就建立在硅光電子學基礎(chǔ)之上。惠普告訴《商業(yè)周刊》，“機器”將會在未來幾年內(nèi)商品化。

最后一塊空地

硅光電子學為什么會受到眾多IT“大佬”的青睞？或許從計算技術(shù)的發(fā)展歷程中能夠找到答案，某種意義上說，回顧歷史不失為展望未來的一種切實可行的方式。

1946年2月，全球第一臺多用途電子計算機ENIAC誕生于美國賓夕法尼亞大學。從外觀上看，ENIAC堪稱“巨型”機，它占地170平方米、重達30噸，由約1.75萬只電子管構(gòu)成的，耗電高達150千瓦，但每秒只能運行5000次的加法運算。

到了1981年8月，IBM推出個人電腦IBM 5150，采用的是主頻4.77MHz的英特爾16位8088處理器，內(nèi)存640KB，性能已經(jīng)遠遠超過ENIAC，而重量不足12公斤，功耗只有100多瓦。

如今，人們使用的智能手機已經(jīng)是32位的多路處理器，主頻數(shù)以GHz計，其性能、功耗、體積和成本都讓當年的PC望塵莫及。

計算性能的不斷提升、計算成本的不斷下降、計算設(shè)備體積的不斷縮小，三股力量并駕齊驅(qū)，推動著計算技術(shù)的迅速發(fā)展，進而推動人類社會進入信息時代。而集成電路技術(shù)，更確切地說，是在計算領(lǐng)域幾乎一統(tǒng)天下的CMOS工藝（互補型金屬氧化物半導體）為代表的硅半導體技術(shù)在其中扮演著“第一推動力”的角色。在計算領(lǐng)域，CMOS工藝幾乎成為半導體技術(shù)的代名詞，這是因為CMOS工藝將硅半導體優(yōu)異的性能與大規(guī)模的生產(chǎn)完美地結(jié)合在一起。事實上，在多種半導體材料與工藝中，只有CMOS工藝嚴格遵循摩爾定律。

歷史上，半導體技術(shù)的每一次重大進步都對計算領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。

計算上，銅互連、絕緣體上硅（SoI）、3D晶體管等半導體技術(shù)和超標量、超線程、多核等處理器新技術(shù)不斷推高計算的性能，片上系統(tǒng)（SoC）又使得計算系統(tǒng)體積不斷縮小、可靠性不斷提升、成本不斷下降。

而存儲上，在半導體存儲技術(shù)替代早期的磁芯存儲后，從最初的動態(tài)隨機存儲器（DRAM）到靜態(tài)隨機存儲器（SDRAM）、閃存（Flash），半導體技術(shù)一統(tǒng)內(nèi)存天下。除了性能優(yōu)勢外，成本這一半導體技術(shù)的另一優(yōu)勢，在存儲領(lǐng)域也得到充分的彰顯。在基于Flash技術(shù)的固態(tài)硬盤（SSD）成本不斷下降，為更多人所接受之后，半導體技術(shù)開始侵占以磁存儲技術(shù)主導的硬盤市場；也正是得益于成本的下降，內(nèi)存計算才能將硬盤從計算中排擠出去。

作為信息處理中計算、存儲和傳輸三大組成部分之一的傳輸領(lǐng)域，半導體技術(shù)主導無線傳輸領(lǐng)域早已是不爭的事實，但在有線傳輸領(lǐng)域，除了各式各樣的銅纜外，還有高端的光纖。盡管光傳輸較之電傳輸在帶寬上具有絕對的優(yōu)勢，但將電信號調(diào)制到光波的電光轉(zhuǎn)換和從光波中解調(diào)出電信號的光電轉(zhuǎn)換，仍需要專用的光電轉(zhuǎn)換器。其核心光電轉(zhuǎn)換器件采用的是砷化鎵（GaAs）或磷化銦（InP）半導體器件，因而成本較高，大都應用于高性能計算、數(shù)據(jù)中心等對網(wǎng)絡(luò)速度要求苛刻的領(lǐng)域。而基于CMOS工藝的硅半導體技術(shù)所具有的成本與體積優(yōu)勢，在這一領(lǐng)域尚未展露出來。

如今，半導體技術(shù)正在填補其包括計算、存儲與傳輸在內(nèi)的信息處理架構(gòu)中最后一塊空白——光纖數(shù)據(jù)傳輸，確切地說，填補這一空白的是硅光電子學。

挾光電結(jié)合之威

硅光電子學于IT產(chǎn)業(yè)的價值絕不僅僅限于填補硅技術(shù)在有線傳輸領(lǐng)域的空白。

當我們再一次回顧計算的歷史時，不禁對摩爾定律的神奇，肅然起敬。從1965年還在仙童公司的高登·摩爾發(fā)現(xiàn)了摩爾定律到今天，已經(jīng)49個年頭了。在這近半個世紀中，摩爾定律精準地規(guī)范著集成電路的發(fā)展。

摩爾定律從誕生到現(xiàn)在，只在1975年進行了一次修正，即從當初的“芯片上晶體管的集成度大約每18個月提高1倍”，調(diào)整到“每24個月提高1倍”。而英特爾的鐘擺戰(zhàn)略，即奇數(shù)年推出新的工藝，偶數(shù)年推出新的架構(gòu)，其工藝進步周期為兩年，正好與摩爾定律的24個月工藝進步周期相吻合。

摩爾定律的下一次修改，或者說最終改動，將會出現(xiàn)在十余年之后。根據(jù)半導體領(lǐng)域權(quán)威機構(gòu)國際半導體發(fā)展藍圖（ITRS）2013年發(fā)布的報告，到2028年，用于高性能處理器的集成電路制程技術(shù)將達到5nm。這通常被認為是半導體工藝的理論極限，因為受制于量子效應，制程難以進一步縮小。endprint

作為半導體產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導者，英特爾對制程技術(shù)研發(fā)的不遺余力，使其制程技術(shù)領(lǐng)先ITRS公布的國際半導體技術(shù)平均水平。以14nm制程為例，英特爾預計的推出時間為2015年，而ITRS給出的時間為2017年，這意味著英特爾將于2016年觸及硅半導體工藝極限。

也就是說，12年或者至多14年之后，持續(xù)60余年，通過制程改進來提升處理器計算性能的方式將會淡出，或者說摩爾定律進入失效期。

另一方面，光計算、量子計算、生物計算等非硅計算仍遙不可及。那么，如何滿足人們對計算性能的迫切需求似乎成為一個問題。

事實上，人們大可不必為此擔憂。在單核處理器時代，制程成為提高芯片性能的主要手段。當處理器進入多核時代，增加處理器的內(nèi)核數(shù)成為提高芯片性能的另一種有效途徑?，F(xiàn)實中，人們也看到并行計算時代處理器內(nèi)核、處理器乃至服務器數(shù)量的橫向擴張，對計算性能的提升要比單純提高芯片制程技術(shù)來得更為有效。

然而，并行計算中，無論是處理器的并行還是系統(tǒng)的并行，都需要網(wǎng)絡(luò)互連來傳輸數(shù)據(jù)。因而，傳輸帶寬這一計算系統(tǒng)的傳統(tǒng)瓶頸，在并行計算中顯得更為突出。

盡管光傳輸技術(shù)具有高帶寬、低功耗、高抗干擾等獨特的性能優(yōu)勢，但其不菲的成本也只有高性能計算、數(shù)據(jù)中心等高端用戶能夠承受。

剛剛浮出水面的硅光電子學，正是將光傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢與CMOS工藝所具有的規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢相結(jié)合，通過顯著降低成本和體積，以及有效提高可靠性，促進光傳輸技術(shù)向中低端計算市場普及。

然而，硅光電子學更大的價值不僅在于實現(xiàn)計算系統(tǒng)之間的互連，而且可以實現(xiàn)計算系統(tǒng)內(nèi)部板卡之間的互連，乃至芯片之間甚至芯片內(nèi)部的互連，彌補了數(shù)據(jù)傳輸這一短板，這在并行計算時代尤為重要。

千萬不要低估帶寬的價值。從2G到3G，移動通信完成了從窄帶到寬帶的跨越。相應地，移動通信市場也完成了由摩托羅拉、諾基亞等傳統(tǒng)手機廠商主導，到由蘋果、谷歌等計算廠商主導的切換。

而互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展與對社會產(chǎn)生的深刻影響，也與帶寬密切相關(guān)。

在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域與摩爾定律齊名的吉爾德定律指出，主干網(wǎng)帶寬的增長速度至少是運算性能增長速度的3倍。主干網(wǎng)帶寬的持續(xù)增長意味著網(wǎng)絡(luò)用戶的使用費用不斷降低，并催生出大量新的網(wǎng)絡(luò)應用。吉爾德定律道出了互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的真諦。

而帶寬急劇增加帶來的應用與用戶的繁榮，又印證了邁特卡爾定律，即網(wǎng)絡(luò)的價值與網(wǎng)絡(luò)使用者數(shù)量的平方成正比。由此，帶寬與對社會的深刻影響便關(guān)聯(lián)起來。

從帶寬意義上看，說硅光電子學是計算技術(shù)發(fā)展史上繼晶體管替代電子管、集成電路替代晶體管之后第三次深刻的變革，可能并不為過。

硅光電子學的前世今生

英特爾第二任CEO摩爾的大名如雷貫耳，第三任CEO格魯夫的名字也耳熟能詳，但其第一任CEO諾伊斯對集成電路技術(shù)的貢獻，可能無人出其右。

1958年夏，德州儀器的工程師基爾比發(fā)明了世界上第一塊鍺集成電路。數(shù)月之后，仙童公司工程師諾伊斯獨立地研制成功平面工藝的硅集成電路。盡管基爾比因為集成電路的發(fā)明而獲得諾貝爾物理學獎，但其所發(fā)明的集成電路工藝從來沒有被付諸生產(chǎn)。

而諾伊斯發(fā)明的平面工藝，使用的是擴散技術(shù)。甚至到了今天，集成電路依舊采用的是諾伊斯發(fā)明的平面工藝，即便是德州儀器也是從諾伊斯而非基爾比的發(fā)明中獲益。

從材料上看，與鍺相比，硅具有漏電少、溫度穩(wěn)定性高、原料豐富等諸多優(yōu)勢，而平面工藝通過光刻技術(shù)可以不斷縮小加工線寬（制程技術(shù)）同時易于大規(guī)模生產(chǎn)，前者使得集成電路速度不斷提升，后者則讓成本不斷下降。而后來低功耗CMOS技術(shù)的引入，更讓硅平面工藝如虎添翼。

受集成電路的啟發(fā)，人們開始在光學領(lǐng)域進行集成光路的探索。但是集成電路中的晶體三極管和二極管最終都可以分解為PN結(jié)這一最簡單的半導體單元，或者從工藝上說，集成電路上所有的三極管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件都可以通過光刻與摻雜擴散等方式實現(xiàn)。相形之下，光路中的光學器件種類繁多，且各自獨立。因此，集成光路在尺寸、連接方式、元器件可靠性、制造工藝等方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。

與此同時，利用成熟的硅工藝與光技術(shù)的結(jié)合，也就成為應對上述挑戰(zhàn)的一種技術(shù)路徑的嘗試。

然而，受硅材料自身物理性能的限制，在1962年半導體激光器發(fā)明后的幾十年里，硅基激光器的實現(xiàn)依舊被譽為是世界性的難題。

雖然硅光電子學的設(shè)想在上個世紀90年代就提出了，但直到2004年2月，英特爾研制成功1Gbps的硅光調(diào)制器，才標志著徘徊多年的硅光電子學研究，取得了突破性的進展。2005年2月，英特爾研制成功連續(xù)波硅拉曼激光器。同年3月，英特爾又將硅光調(diào)制器的帶寬提升到10Gbps。2006年9月，英特爾與加州大學圣塔芭芭拉分校聯(lián)合宣布研制成功電泵浦硅基拉曼激光器，這是硅光電子學至關(guān)重要的突破。

英特爾在上述兩年多時間內(nèi)取得的一系列的技術(shù)突破，證明了硅是一種可行的光學材料，硅光電子學這一技術(shù)路線的選擇是正確的，因為硅光子技術(shù)與CMOS工藝完全兼容，使得CMOS技術(shù)得以實現(xiàn)光學元器件的等效功能并將其集成之。

之后的2007年8月，英特爾又推出40Gbps PIN光電探測器。到了2008年12月，英特爾又用雪崩光電探測器進一步將性能提高到340GHz增益帶積。2014年3月，英特爾利用其MXC互連技術(shù)，在一根MXC光纜中放置了64根光纖，每根光線的傳輸速率為24Gbps，因而使得總傳輸速率達到1.6Tbps。

硅光電子學是用CMOS工藝在硅基片上實現(xiàn)原有光學元器件的功能，而非原有光學元器件在物理尺寸上的微縮。因此，硅光電子學在工藝實現(xiàn)上充滿了奇思妙想，而CMOS工藝所具有的納米級制程、規(guī)模化生產(chǎn)、高良率、低成本等優(yōu)秀特質(zhì)與光子學的優(yōu)勢相結(jié)合，又為硅光電子學開拓了廣泛的應用空間。endprint