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大规模并行处理和低能耗技术对于高性能计算的未来至关重要。集成光子技术有望为高性能计算提供技术支持。

Jeff Hecht

集成光学的概念是由贝尔实验室的Stewart Miller于1969年首先提出的，这一概念源于当时已经取得了巨大成果的集成电路^[1]。然而在随后的多年中，集成光学及其派生的集成光子学的应用前景一直不明朗。目前集成电路正遭遇到性能上的发展瓶颈，而集成光子学则有望克服这一瓶颈，这也使集成光子学的应用趋于明朗。

几十年来，集成电路一直都在遵循着摩尔定律向前发展，微处理器的速度不断攀升。但是在21世纪中期，微处理器的时钟频率在3GHz附近停滞不前，这是因为当微处理器的速度进一步提高时，其产生的热量将超出其散热能力。多核处理器是一种解决方案，四个3GHz的芯片并行计算，即可获得12GHz的总处理速度。然而多核处理的缺点在于其软件和硬件均不能过分扩展，现在执行串行处理的软件必须重写，才能在8核或16核芯片上执行并行操作^[2]。ADI公司首席技术官Samuel Fuller认为，集成光子学在硬件上可以提供大量互联。

图1：单处理器的性能从1986年开始稳步上升，直到大约2004年突然趋于平缓。单点表示处理器的性能，实线表示发展趋势，虚线表示2009-2020年国际半导体技术路线图的发展目标。

 电子、光子及能源

集成光子学的通信能力和集成电子学的高性能计算能力互为补充。电子之间的强相互作用使得晶体管擅长开关和信号处理。但是电子之间的强相互作用同时会产生噪声，并增加信号传输中的衰减（特别是在高频的时候），从而影响通信能力。相比之下，光子之间的弱相互作用使其光计算应用受到了限制，但是其可以减少光通道之间的噪声、衰减和串扰。因此，将光子技术和电子技术结合起来，将有望增强并行处理能力。

无论是光子技术还是电子技术，每次运算操作都将产生热量，功耗将限制高度并行计算机的性能。Fuller认为：“服务器消耗了超过1.5％的美国电力供应，从单元能耗的角度看，CMOS电路的能耗效率并没有随着其速度的增加而提高。海量数据中心和超级计算机将消耗20MW或者更多的电力，而且这些数字只会上升。如果消费者希望在未来十年内计算速度提高10倍的话，若效率保持不变，那么其能耗将相当惊人！”

美国麻省理工学院微光子技术中心在2010年6月公布的白皮书中直言不讳地表示：“IT技术的能耗问题与环境的可持续发展密切相关，同时也关乎经济发展^[3]。IT硬件的生命周期通常为三年，能耗占据了其中50%的成本。控制能耗将推动产品周期的缩短、实现高密度电子光子集成。”

图2：英特尔建立的四通道粗波分复用光子集成链路，传输速度高达50Gbit/s。

光子集成通信

在电子技术中，电子通过导体需要能量，而且随着频率的增加而增加。导体表面产生电磁场，从而导致串扰、干扰及衰减，所有这三个因素都将增加能耗。相比之下，光子技术具有更低的衰减和更高的带宽，因此在芯片之间（最终在芯片内部）使用光互连可以大幅度降低功耗。Fuller认为：“光子技术有望将功耗减少到原来的1/2甚至1/4，但是光子技术同样面临着目前电子技术所面对的功耗每18个月翻一番这一问题”。

集成光子技术可以提高高性能计算的带宽密度，带宽密度定义为芯片表面单位横截面积或者芯片边缘单位长度上的带宽。麻省理工学院的研究人员Lionel Kimerling认为：“光子学具有内在的高带宽密度特性，其与先进的调制格式和波分复用（WDM）技术相结合，可以使光子技术远远超出电子技术所能达到的水平”。

硅光子集成技术

目前商用的高性能计算机底板已经开始采用光纤链路。光子技术的下一步是将光子波导集成在电路板上。

目前III-V族半导体材料上的光子集成技术已经比较成熟，但是电子行业希望在硅衬底上集成光子器件，这是因为硅衬底与微处理器和其他大多数电子电路的标准兼容。硅光子集成技术中，二氧化硅波导可以取代电导分发时钟信号。硅光子集成的最简单技术是制造光电探测器和波导。ADI公司已经在硅片上集成硅或锗光电二极管和跨阻抗放大器，这些技术均与目前的电子制备技术兼容。

硅光子集成技术目前面临的一个巨大挑战是硅光源，这是因为硅的发光性能很差。英特尔公司和加州大学圣巴巴拉分校研究人员合作将III-V材料绑定在硅波导上实现混合激光器。硅光子集成技术的另一大挑战是封装技术，通过透镜耦合可以将光从光子通道耦合到芯片表面，但是这比电子技术的电焊连接要困难得多。

图3：英特尔的50Gbit/s硅光子发射器和光纤连接器。右边的宽金属条纹是发射模块，其是电路板一个倒装芯片。突起的金属引脚对准小插件模块，耦合光纤延左下方延伸。

 集成光子和电子

英特尔公司首次实现了从终端到终端的硅光子集成链路，这是硅光子集成发展道路上的重要一步^[4]。该实验采用四通道粗波分复用器（CWDM），通过光纤实现信号从发射器到接收器的完整链路。该链路发射器包括四个InP/Si混合激光器，输出波长分别为1291nm、1311nm、1331nm和1351nm。四个激光器发出的光分别进入四个硅波导调制器，然后四个调制器的输出信号在复用器进行合并。一个光模式转换器将复用器输出的信号耦合进入光纤。接收芯片中的波导收集信号后传入解复用器，它将四个光通道的信号导入四个硅锗光电二极管。整个系统有一个被动散热片，但没有主动致冷单元。

当四个波长上同时传输10Gbit/s的信号时，在平均接收功率小于1mW情况下，整个系统的误码率低于10^-12。当单通道的传输速率提高到12.5Gbit/s时，三个通道的误码率低于10^-12，第四个通道的误码率为3×10^-10。研究人员推测该链路中采用多模光纤，在该速率下传输距离将达到50 m。^[5]

前景展望

硅基光互连的是长途光纤传输的延伸。短距离传输相比长距离传输具有较少的制约因素。硅基光互连在移动电子产品和汽车以及计算机领域也具有诱人的应用潜力。然而，目前光子技术从主干网向电路板和芯片的延伸过程中，正面临着巨大的挑战，包括成本、与硅制造技术的兼容性和能耗等问题。

集成光子技术和并行计算均不可能通过降低能耗维持高性能计算的快速提高；在未来十年中，CMOS电路也将遭遇其他物理极限。集成电子技术和光子技术的新型硬件，将有望在未来扮演主要角色。

参考文献

1. S.E. Miller, "Integrated Optics – An Introduction," Bell System Technical Journal, 48, 2059–2069 (September 1969).

2. S.H. Fuller and L.I. Millett, eds., The Future of Computing Performance: Game Over or Next Level, National Research Council (2010); http://bit.ly/eR0e0A.

3. MIT Microphotonics Center, "Scaling Limits and Energy: CTR III White Paper #1" (June 2010).

4. R. Won, "Integrating silicon photonics," Nature Photon., 5, 498–499 (August 2010).

5. A. Alduino et al., "Demonstration of a high-speed 4-channel integrated silicon photonics WDM link with hybrid silicon lasers," Optical Society of America Integrated Photonics Research Silicon and Nanophotonics, Monterey, CA, paper PDIWI5 (July 25, 2010).