80核架构与硅光芯片即将到来

硅光技术领域的三大革命性突破

在万亿级芯片的设计中，大的困难在于设计一套高效的传输系统。作为原型芯片，Teraflop Research Chip可以采用电路传输而不会遭遇瓶颈，但随着核心的复杂度提升，传输的数据也将越来越多，众多核心间的协作也要求数据快速传输，Intel与加州大学圣芭芭拉分校联手开发硅光计划，希望能够将光传输技术带入万亿级芯片领域，在过去的多年中，双方已经获得多个突破性成果，距离实用化已指日可待。

1.连续波激光技术：解决光在芯片内传导问题

在2005年2月份，Intel就发布了一项名为“连续波激光(continuous wavesilicon laser，CW
laser)”的硅-光混合技术，这项技术可利用标准半导体工艺制造出可驱动连续光波的硅芯片组件，实现硅片与激光技术的结合。“连续波激光”主要解决传输问题，我们知道，半导体硅材料无法像玻璃光纤一样可以让光线通过，无论对可见光还是紫外线都是屏蔽的，但对红外光来说，半导体硅材料却完全透明，因此如果采用红外光来作为数据传输的媒介，与硅芯片达成结合就具有一定的理论可行性。

图9 连续波激光技术在硅芯片上成功地建立了光波导路径

除了可让光线无障碍透过外，硅光混合还需要解决光信号的控制、传导以及放大等问题，连续波激光技术在这些方面都有了重大突破。在光纤通信系统中，光信号的放大是通过专门的放大系统进行，以便在传输路线中周期性地恢复信号功率。但硅芯片内部不可能容纳这样的放大器，为此
Intel的研究人员发明了一种方法，利用“拉曼效应(Raman effect)”来实现光信号的放大。这项工作的第一步就是在硅片中蚀刻出“波导(waveguide)”─波导是芯片内光线传递的通道，对红外线光来说，硅材料的波导就好比是透明的玻璃光纤，因此当红外光进入波导时，研究人员就可以在芯片内对红外光进行控制及传导。不过，硅片本身无法产生红外光，Intel的研究人员就利用了一个外部光源将红外激光导入芯片内、产生连续完整的激光束。为了形成拉曼效应，硅芯片表面被覆上一层反射性的薄膜(类似高品质太阳镜的反射膜)，当红外激光导入到芯片时，一部分激光会照射到薄膜上形成拉曼散射，并在波导内部形成自然原子振动，进而对光信号产生放大作用─与玻璃光纤相比，硅芯片内的拉曼效应强度要高出一万倍以上，信号放大效果极其显著(图9)。

拉曼效应：光照射到物质上会发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光波长同激发光波长相同、而非弹性散射的散射光波长则与激发光波长存在差异，这种现象被称为“拉曼效应”而非弹性散射的光谱则被称为“拉曼光谱”。

2.混合硅激光技术：令硅“自主发光”

在前面的连续波激光项目中，Intel研究人员必须借助外部光源才能将红外光导入到硅片，但在半导体工艺中，导入外部光源并不具可行性。显然，如果要让光子代替电子在芯片内流动，唯一的途径就是让硅材料能够自主发光。

Intel与美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)的研究人员联手攻关这个项目。2006年9月，双方宣布研发成功名为“混合硅激光(Hybrid Silicon Laser)”的硅光混合技术，打开了迈向硅光混合计算的大门。混合硅激光技术的关键点是实现磷化铟(Indium Phosphide)与半导体硅的结合、并能够以标准硅工艺进行生产─磷化铟被广泛用于光纤通信系统的激光器中、它可以在电压的作用下产生激光，但基于磷化铟的激光器需要逐一进行组合和校准，无法实现计算机产业所要求的大批量、低成本制造。

图10 混合硅激光系统示意图

而Intel与芭芭拉分校的研究人员没有将磷化铟作为独立的激光器，而是将它与硅芯片相结合，这样在连续电压信号的驱动下，磷化铟就产生相应的红外激光信号，通过这样的方式，我们就能够将二进制数据加载到红外激光上、这相当于让硅芯片具备直接输出光信号的能力。与之对应，系统内有一套光传输总线，硅光芯片(比如处理器)输出的光信号经过波导放大后、再通过光总线传送给位于目标端的硅光芯片(比如另一枚处理器)，同样，光信号会再度进入目标芯片的波导被放大，然后被还原为二进制电信号参与运算，其运算输出结果则会被再度转成光信号、经波导放大后传回(图10)。通过这样的机制，硅芯片间发生的所有数据传输任务都可以借助光技术进行，借此我们能够构建TB/s量级的超高带宽总线。

图11 磷化铟薄氧化膜与硅薄氧化膜粘合在一起

混合硅激光芯片的设计方案非常巧妙，其关键点在于如何将磷化铟材料与半导体硅晶圆有机地结合起来─Intel与芭芭拉分校的科学家们在此表现出他们的天才设计：用超低温的氧等离子体(带电荷的氧气)在这两种材料表面都形成一层仅有25个原子厚度的薄氧化膜，然后将两者面对面叠放、同时加热加压，这样磷化铟材料的薄氧化膜与硅晶圆的薄氧化膜就像玻璃粘合剂一样熔合、从而将两种材料熔合为一个整体；之后的工序按照传统的半导体制造工艺进行：设计好波导和电压控制器的集成电路图被印刷到硅晶圆上，这样我们就可以制造出硅光混合型芯片(图11)。

图12 拥有25个混合硅激光器的硅片光传输系统，该系统可实现40Gb/s带宽

作为项目的负责人，芭芭拉分校电气和计算机工程学教授约翰·鲍尔斯(John Bowers)强调该技术的革命性意义：“混合硅激光器能够用于晶圆级、半晶圆级和芯片级的应用，将大规模光学器件与硅平台有机结合起来，终实现硅光子器件的低成本和大批量制造，这将大幅度降低光传输技术的应用门槛”(图12)。

3.硅基雪崩光电探测器：利用半导体工艺生产

连续波激光技术与混合硅激光技术成功地解决了光信号的产生与传输问题，但要让光子在芯片内部代替电子，必须拥有高效率的光电转换手段，否则无法实现光子与电子的对接─毕竟在核心内部，计算信号还是以电子形式存在。也就是说，Intel还需解决光探测的问题。

2008年12月8日，新的喜讯到来：Intel宣布在硅基雪崩光电探测器(Silicon-based Avalanche
Photodetector)研究方面实现了创纪录的进展，新的研究成果使用硅和半导体工艺实现了有史以来高的340GHz“增益-带宽积”。这也意味着硅光芯片的后障碍获得圆满解决，光信号代替电信号将成为真正意义上的现实。

图13 标准光电探测器，转化率约1:1

对于硅光电探测技术我们并不陌生，数码相机的CCD/CMOS感光元件、太阳能电池，都是硅光电技术的实际应用，这些产品所用的是传统的光电探测器。这种光电探测器的设计比较简单：一个光子进入探测器，激发半导体部分产生一个电子空穴对。因此只有比较强的光照，才能够输出较强的电流。而“雪崩”光电探测器是在原有的半导体中加入了“吸收层”，在倍增区施加电场，通过吸收层一个光子激发的一个电子来到倍增区，经过系列电离化后产生10～100倍的电子(图13、图14)。

图14 雪崩光电探测器，转化率可高出10～100倍

由于转化灵敏度提升十倍以上，那么只要有原先十分之一的光信号，雪崩探测器就可以输出同样的电流─这意味着在其他设施不变的情况下，改用雪崩探测器可以将光纤的传输路径延长十倍以上。或者只要消耗十分之一的能源，就可以得到同样的传输距离。对于万亿级芯片来讲，采用雪崩探测器的好处更多体现在超低能耗(图15)。

图15 两种光电探测器的效果对比

然而，现有的Ⅲ-Ⅴ族雪崩探测器是用于传统光通信领域，这些产品现在已经被广泛采用，但它们无法采用硅半导体工艺进行生产。此次Intel所研发的硅基雪崩探测器很好地解决了这种问题，即它可以像CMOS图像传感器一样在半导体生产线中大量生产，同时也可以轻松做到超微细化的结构(图16)。

图16 Intel硅基雪崩探测器，可采用标准半导体工艺制造，同时又具有更高的性能

凭借压倒性的性能和制造优势，硅基雪崩探测器成功战胜了传统的光电探测器和Ⅲ-Ⅴ族雪崩探测器，将雪崩光电探测器的优势从现在的10Gbps引入40Gbps链路。不过Intel的终目标还是硅基光电技术实现芯片间和芯片内光信号互连，从而将数据传输带宽轻松提升到数以百GB和TB的级别，从上述技术进展来看，我们认为这一天并不会太遥远。

写在后

Intel“万亿级计算”揭示了一个科幻世界般的美好未来：光子代替电子，成为芯片内部不断流动的新血液，这本身就是一件非常酷的事情，何况光传输所具有的带宽优势和能耗优势都是无可比拟的。光传输几乎不会带来任何发热，能源消耗也很低，这可以将芯片的发热水平直接降低30%的幅度。而万亿级通用计算将让PC能够实现现在我们难以想象的新任务，一个革命性的时代即将在未来五年内登场，对此我们翘首以待。