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IT的新曙光──硅光电子学

导读: 从2004年英特尔实验室发文宣布硅光电子学实质性的突破—1Gbps硅光调制器研制成功到今天,已经整整十年。这十年是硅光电子学逐步走向成熟的十年。

  如果要问:什么技术让思科、富士通、英特尔、IBM、甲骨文这些在IT不同领域中称王称霸的厂商能够趣味相投?答案尽人皆知—云计算、大数据、移动互联网、社交网络,这是当下的产业热点。

  上述产业热点不仅让人们重新认识数据的价值,也让数据对计算资源的需求变得更为贪婪,而其中数据传输带宽已经成为计算性能提高的瓶颈。

  但要问这些厂商下一步的兴趣点在哪里?知道硅光电子学这个名词的人就不多了。未来,首先是云计算、大数据这样的后台应用,然后是移动互联网等个人计算设备都将与硅光电子学密不可分。

  事实上,从2004年英特尔实验室发文宣布硅光电子学实质性的突破—1Gbps硅光调制器研制成功到今天,已经整整十年。这十年是硅光电子学逐步走向成熟的十年。

  在2013年5月庆祝以太网诞生40周年仪式上,博通公司创始人兼CTO Henry Samueli在接受媒体采访时表示,硅光电子学在网络交换中是一项非常重要的技术,因为现有的电子交换方式在功耗和用电成本上变得日益昂贵,因此,在超越Tbps时,硅光电子学将会变得很有意义。

  而作为计算厂商的甲骨文比网络厂商博通更加乐观,同样是在2013年,甲骨文硅光电子学首席技术专家A.V. Krishnamoorthy表示,未来五年内,所有的服务器都将在25Gbps或更快一点的速率上相互连接。

  最新的消息是今年6月中旬,惠普实验室将其研发经费的75%投入到名为“机器”(The Machine)的下一代计算架构研发项目中。在这个大赌注中,将会有全新的操作系统、新型的内存和超快的总线/外设互连,而这一超快的互连就建立在硅光电子学基础之上。惠普表示,“机器”将会在未来几年内商品化。

  最后一块空地

  硅光电子学为什么会受到众多IT“大佬”的青睐?或许从计算技术的发展历程中能够找到答案,某种意义上说,回顾历史不失为展望未来的一种切实可行的方式。

  1946年2月,全球第一台多用途电子计算机ENIAC诞生于美国宾夕法尼亚大学。从外观上看,ENIAC堪称“巨型”机,它占地170平方米、重达30吨,由约1.75万只电子管构成的,耗电高达150千瓦,但每秒只能运行5000次的加法运算。

  到了1981年8月,IBM推出个人电脑IBM 5150,采用的是主频4.77MHz的英特尔16位8088处理器,内存640KB,性能已经远远超过ENIAC,而重量不足12公斤,功耗只有100多瓦。

  如今,人们使用的智能手机已经是32位的多路处理器,主频数以GHz计,其性能、功耗、体积和成本都让当年的PC望尘莫及。

  计算性能的不断提升、计算成本的不断下降、计算设备体积的不断缩小,三股力量并驾齐驱,推动着计算技术的迅速发展,进而推动人类社会进入信息时代。而集成电路技术,更确切地说,是在计算领域几乎一统天下的CMOS工艺(互补型金属氧化物半导体)为代表的硅半导体技术在其中扮演着“第一推动力”的角色。在计算领域,CMOS工艺几乎成为半导体技术的代名词,这是因为CMOS工艺将硅半导体优异的性能与大规模的生产完美地结合在一起。事实上,在多种半导体材料与工艺中,只有CMOS工艺严格遵循摩尔定律。

  历史上,半导体技术的每一次重大进步都对计算领域产生深刻的影响。

  计算上,铜互连、绝缘体上硅(SoI)、3D晶体管等半导体技术和超标量、超线程、多核等处理器新技术不断推高计算的性能,片上系统(SoC)又使得计算系统体积不断缩小、可靠性不断提升、成本不断下降。

  而存储上,在半导体存储技术替代早期的磁芯存储后,从最初的动态随机存储器(DRAM)到静态随机存储器(SDRAM)、闪存(Flash),半导体技术一统内存天下。除了性能优势外,成本这一半导体技术的另一优势,在存储领域也得到充分的彰显。在基于Flash技术的固态硬盘(SSD)成本不断下降,为更多人所接受之后,半导体技术开始侵占以磁存储技术主导的硬盘市场;也正是得益于成本的下降,内存计算才能将硬盘从计算中排挤出去。

  作为信息处理中计算、存储和传输三大组成部分之一的传输领域,半导体技术主导无线传输领域早已是不争的事实,但在有线传输领域,除了各式各样的铜缆外,还有高端的光纤。尽管光传输较之电传输在带宽上具有绝对的优势,但将电信号调制到光波的电光转换和从光波中解调出电信号的光电转换,仍需要专用的光电转换器。其核心光电转换器件采用的是砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)半导体器件,因而成本较高,大都应用于高性能计算、数据中心等对网络速度要求苛刻的领域。而基于CMOS工艺的硅半导体技术所具有的成本与体积优势,在这一领域尚未展露出来。

  如今,半导体技术正在填补其包括计算、存储与传输在内的信息处理架构中最后一块空白—光纤数据传输,确切地说,填补这一空白的是硅光电子学。

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