專家：光互連硅光器件與PIC現(xiàn)狀及趨勢

    ICCSZ訊 由中國計算機學會主辦，中國軟件行業(yè)協(xié)會數(shù)學軟件分會協(xié)辦，中國計算機學會高性能計算專業(yè)委員會、桂林電子科技大學共同承辦的2013年全國高性能計算學術(shù)年會（HPC China2013）在廣西桂林召開。

　　本屆盛會圍繞著高性能計算技術(shù)的研究進展與發(fā)展趨勢、高性能計算的重大應用等主題展開，促進信息化與工業(yè)化的深度融合，為相關(guān)領(lǐng)域的學者提供交流合作、發(fā)布最前沿科研成果的平臺，推動中國高性能計算的發(fā)展。本次會議邀請了美國HPC Advisory Council的加盟，還邀請國內(nèi)外知名超算中心主任參加，并舉行“云計算”、“大科學工程中的高性能計算”論壇。中科院半導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》報告。

    光子學是一門研究光子的產(chǎn)生和運動特性、光子同物質(zhì)的相互作用及其應用的前沿學科，硅光子學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)計與制造以及在光通信、光計算等領(lǐng)域中的實際應用。《硅光子學》共19 章，分別介紹硅基光子學基礎(chǔ)、應用和發(fā)展趨勢；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、探測器、光波導器件；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。

    對于光互聯(lián)，俞育德說，未來十年的高性能計算機將由電互聯(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、多路信號和低功耗等優(yōu)勢。

　　對于光子集成的要求和發(fā)展俞育德提出了四點趨勢。

　　1、 傳輸波長的選擇

　　光纖通信的波長是由光纖的傳輸窗口決定的，光互聯(lián)的波長則由光波導的波長來優(yōu)選。因此光波導的材料、結(jié)構(gòu)和特性將在光互聯(lián)應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。

　　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，并行運算的計算機整機的速率已達到千萬億次的高速率。

　　進一步對器件的需求是100Gb/s的高速率。光互聯(lián)的超高速率目標位：2015年和2022年終的I/O速率將分別達到82Tbit/s和230Tbit/s.

    3、 低功耗的要求

　　信息網(wǎng)絡中，Pb/s量級節(jié)點的年耗電量將超過1000億度，比三峽大壩滿負荷發(fā)電量還有。為了在足夠低的芯片能耗下實現(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.這些指標比當前的器件水平低3-5個能量數(shù)。

　　4、 集成技術(shù)的途徑

　　硅光子學的出現(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)展硅基光電子科學和技術(shù)意義重大。近年來，硅基光電子的研究在國內(nèi)外不斷取得引人注目的重要突破，世界各發(fā)達國家都把硅基光電子作為長遠發(fā)展目標。

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

    在超級計算機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。雖然其大部分已在使用光通信，但在實施IP數(shù)據(jù)包路徑控制的路由器內(nèi)部卻進行著“光電或電光間的轉(zhuǎn)換”以及“利用電信號進行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施電布線無法實現(xiàn)的長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问綄崿F(xiàn)實用化。也就是說，光布線的實用化將按照通信網(wǎng)絡到服務器機殼間的連接，再到基板間及基板內(nèi)的順序推進，而硅光子排在最后，一直被認為是僅對高性能處理器的芯片內(nèi)部進行處理的技術(shù)。

    以基于硅光子技術(shù)的IC實用化為契機，研發(fā)體制也發(fā)生了變化。以往的研發(fā)總的來說是以學術(shù)機構(gòu)為中心推進的，而如今正在走向以廠商主導的實用化為目標的真正形式。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)，在國家支援體制下，日美歐廠商及研究機構(gòu)展開了激烈競爭。