專家：光互連硅光器件與PIC現(xiàn)狀及趨勢(shì)

    ICCSZ訊 由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)主辦，中國(guó)軟件行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)學(xué)軟件分會(huì)協(xié)辦，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高性能計(jì)算專業(yè)委員會(huì)、桂林電子科技大學(xué)共同承辦的2013年全國(guó)高性能計(jì)算學(xué)術(shù)年會(huì)（HPC China2013）在廣西桂林召開。

　　本屆盛會(huì)圍繞著高性能計(jì)算技術(shù)的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)、高性能計(jì)算的重大應(yīng)用等主題展開，促進(jìn)信息化與工業(yè)化的深度融合，為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者提供交流合作、發(fā)布最前沿科研成果的平臺(tái)，推動(dòng)中國(guó)高性能計(jì)算的發(fā)展。本次會(huì)議邀請(qǐng)了美國(guó)HPC Advisory Council的加盟，還邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外知名超算中心主任參加，并舉行“云計(jì)算”、“大科學(xué)工程中的高性能計(jì)算”論壇。中科院半導(dǎo)體研究所研究員俞育德在論壇是作題為《光互連用硅基光子器件與光子集成的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)》報(bào)告。

    光子學(xué)是一門研究光子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)特性、光子同物質(zhì)的相互作用及其應(yīng)用的前沿學(xué)科，硅光子學(xué)專門研究硅以及硅基異質(zhì)結(jié)材料（諸如sige/si、soi等）等介質(zhì)材料中光子的行為和規(guī)律，著重研究硅基光子器件的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造以及在光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。《硅光子學(xué)》共19 章，分別介紹硅基光子學(xué)基礎(chǔ)、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)；硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)、制備方法；硅基光子器件，包括硅基發(fā)光器件、探測(cè)器、光波導(dǎo)器件；硅基光子晶體、硅基光電子集成、硅基光互連以及硅基太陽能電池。

    對(duì)于光互聯(lián)，俞育德說，未來十年的高性能計(jì)算機(jī)將由電互聯(lián)技術(shù)向光互聯(lián)技術(shù)方向轉(zhuǎn)變，其原因是光互聯(lián)可以將芯片之間的互聯(lián)距離拉近，而且具有低延遲、多路信號(hào)和低功耗等優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)于光子集成的要求和發(fā)展俞育德提出了四點(diǎn)趨勢(shì)。

　　1、 傳輸波長(zhǎng)的選擇

　　光纖通信的波長(zhǎng)是由光纖的傳輸窗口決定的，光互聯(lián)的波長(zhǎng)則由光波導(dǎo)的波長(zhǎng)來優(yōu)選。因此光波導(dǎo)的材料、結(jié)構(gòu)和特性將在光互聯(lián)應(yīng)用中處于決定性的位置。顯然，1.55和2.3微米波段具有許多優(yōu)勢(shì)。

　　2、 超高速的要求

　　目前電互聯(lián)中電子器件的速率為10Gb/s左右，并行運(yùn)算的計(jì)算機(jī)整機(jī)的速率已達(dá)到千萬億次的高速率。

　　進(jìn)一步對(duì)器件的需求是100Gb/s的高速率。光互聯(lián)的超高速率目標(biāo)位：2015年和2022年終的I/O速率將分別達(dá)到82Tbit/s和230Tbit/s.

    3、 低功耗的要求

　　信息網(wǎng)絡(luò)中，Pb/s量級(jí)節(jié)點(diǎn)的年耗電量將超過1000億度，比三峽大壩滿負(fù)荷發(fā)電量還有。為了在足夠低的芯片能耗下實(shí)現(xiàn)高比特率，要求片外總消耗量~50-170fj/b，器件能量~2-30fj/b，片上總能耗~10-30fj/b，器件能量~2-6fj/b.這些指標(biāo)比當(dāng)前的器件水平低3-5個(gè)能量數(shù)。

　　4、 集成技術(shù)的途徑

　　硅光子學(xué)的出現(xiàn)給光子集成帶來了希望。成熟的CMOS工藝提供了極好的技術(shù)基礎(chǔ)，Si、SOI和SiGe等同CMOS兼容，因此應(yīng)用CMOS工藝制造光子集成回路是最佳的選擇和比由之路。

    硅基半導(dǎo)體是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石，但其發(fā)展已接近極限。而光電子技術(shù)則正處在高速發(fā)展階段，現(xiàn)在的半導(dǎo)體發(fā)光器件多利用化合物材料制備，與硅微電子工藝不兼容，因此，將光子技術(shù)和微電子技術(shù)集合起來，發(fā)展硅基光電子科學(xué)和技術(shù)意義重大。近年來，硅基光電子的研究在國(guó)內(nèi)外不斷取得引人注目的重要突破，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都把硅基光電子作為長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。

　　隨著微處理器性能呈指數(shù)增長(zhǎng)，以及超大規(guī)模集成電路技術(shù)日益逼近它的極限，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部通信速度和帶寬落后于處理器芯片運(yùn)算速度的趨勢(shì)日益擴(kuò)大，銅互連將成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體性能提升的瓶頸。以實(shí)現(xiàn)硅基光電集成為目標(biāo)的硅基光子學(xué)的不斷成熟有望解決這一難題。

    在超級(jí)計(jì)算機(jī)之外也存在耗電量將成為大問題的用途。這就是通信網(wǎng)絡(luò)。雖然其大部分已在使用光通信，但在實(shí)施IP數(shù)據(jù)包路徑控制的路由器內(nèi)部卻進(jìn)行著“光電或電光間的轉(zhuǎn)換”以及“利用電信號(hào)進(jìn)行IP數(shù)據(jù)包處理”。據(jù)NTT微系統(tǒng)集成研究所介紹，日本通信網(wǎng)絡(luò)的路由器耗電量目前占日本總耗電量的約1%。

　　硅光子技術(shù)的定位已開始大幅變化。原來的光布線及光路以通過光來接替實(shí)施電布線無法實(shí)現(xiàn)的長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问綄?shí)現(xiàn)實(shí)用化。也就是說，光布線的實(shí)用化將按照通信網(wǎng)絡(luò)到服務(wù)器機(jī)殼間的連接，再到基板間及基板內(nèi)的順序推進(jìn)，而硅光子排在最后，一直被認(rèn)為是僅對(duì)高性能處理器的芯片內(nèi)部進(jìn)行處理的技術(shù)。

    以基于硅光子技術(shù)的IC實(shí)用化為契機(jī)，研發(fā)體制也發(fā)生了變化。以往的研發(fā)總的來說是以學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)為中心推進(jìn)的，而如今正在走向以廠商主導(dǎo)的實(shí)用化為目標(biāo)的真正形式。其中尤其要提到的是意在通過硅光子技術(shù)使處理器性能得以飛躍性提高的技術(shù)開發(fā)，在國(guó)家支援體制下，日美歐廠商及研究機(jī)構(gòu)展開了激烈競(jìng)爭(zhēng)。