硅光子技術（上）芯片間實現光傳輸

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關於在硅晶圓上實現光傳輸的“硅光子”技術，其實用化和研發的推進速度都超過了預期。其中，日本的進展尤其顯著。日本在高密度集成技術和調制器等的小型化方面世界領先，在CMOS兼容發光技術和光子結晶的開發方面的成果也震撼全球。硅光子技術的應用范圍有望從目前的主要用途——電路板間的數據傳輸擴大到芯片間和芯片內的傳輸。預計這方面的應用將在2020年前后實現實用化。

“硅光子”已經進入全面普及階段。利用該技術，各種光傳輸元件的大部分都可以通過CMOS技術集成到硅芯片上注1）。

注1）目前隻有光源還需利用化合物半導體激光元件。

硅光子技術目前的主要用途是嵌在有源光纜（Active Optical Cable，AOC）*中的光收發器IC（圖1）。AOC在超級計算機、數據中心以及通信運營商的傳輸裝置領域的應用迅速擴大，是用於板卡和設備高速連接的光纜。

圖1：光傳輸的應用范圍將從板卡間擴大到芯片間，再到芯片內 本圖為最近和不久的將來的光傳輸導入領域。名為AOC（有源光纜）的服務器板卡間通信技術大部分都是利用硅光子技術的光傳輸。預計今后芯片間傳輸、CPU內核間以及CPU內核內的全局布線等也將利用光傳輸。（攝影：（a）為美高森美公司（原卓聯半導體），（b）為Luxtera公司，（c）為阿爾特拉）

*AOC（Active Optical Cable）＝帶光收發器模塊的光纜。由於耐久性和可靠性高，在2008年前后，這種光纜在高性能計算機市場上的需求開始擴大。調查公司Global Information發布的數據顯示，2011年AOC的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。該公司預測，2016年的銷量將達到78.6萬根，銷售額將擴大到1.75億美元。

硅光子之所以能在AOC用光收發器領域取得這樣的成績，是因為可以通過量產大幅降低成本，這與採用CMOS技術的半導體產品一樣。而以前的AOC採用的是基於化合物半導體的分立元件，價格較高。

以風險公司為中心的市場將發生變化

開拓該用途的是美國加州理工學院成立的風險企業Luxtera，以及同為風險企業的Kotura公司。2008年前后開始量產的Luxtera於2012年2月宣布，“已售出100萬個單位通道傳輸容量為10Gbit/秒的光IC”。Kotura也於2013年2月宣布，“光IC的銷量較上年翻了一番、相當於每月6萬通道”。從這些出貨量數據來看，這兩家公司的產品佔了AOC市場的相當大一部分注2）。

注2） Luxtera與飛思卡爾半導體和意法半導體開展合作，Kotura與甲骨文等企業在技術開發和制造方面開展合作。

不過，該市場將迎來巨大的變化。因為思科系統和英特爾等企業相繼涉足該市場。在今后將形成市場的100Gbit/秒傳輸容量的AOC中，預計硅光子將掌握主導權。

思科的動作非常迅速。該公司2012年2月斥資2.71億美元收購了風險企業Lightwire，同年10月發布了基於硅光子技術的、支持100Gbit/秒的光收發器規格“Cisco CPAK”，2013年3月發布了安裝有該規格光收發器模塊的傳輸裝置。

英特爾也於2013年1月發布了採用硅光子技術的AOC，該產品支持臉書主導的數據中心行業標准“Open Compute Project”。

芯片間光傳輸大勢所趨

預計硅光子市場今后還將日益擴大。肩負AOC“未來”的市場已經初現端倪。AOC主要用於“電路板間”的大容量數據傳輸，而今后，電路板上的微處理器之間以及微處理器與存儲器之間等“芯片間”用途將實用化。IBM和英特爾現在正在推進開發，目標是將其用於2020年前后的超級計算機和服務器。

圖2：光傳輸和電傳輸的低耗電量化以1cm為分界

如果傳輸距離在1cm以上，目前的光傳輸技術的耗電量小於電傳輸。光傳輸的耗電量主要是光收發器的電光轉換以及光電轉換消耗的。最近大幅減小了光收發器的尺寸，因此耗電量也減小了。

光傳輸的應用始於長距離通信，之后其用途擴大到了短距離通信，取代了電傳輸。在這一點上，採用硅光子的光傳輸也是一樣。預計將來微處理器內部的“CPU內核間”的數據傳輸也必須要利用硅光子技術。

最近，硅光子技術在芯片間的應用有了眉目，這主要是因為，利用硅光子制作的光收發器的耗電量降低了。一般來說，電傳輸是距離越短，所需的電力越少，而光傳輸即使距離縮短，電力也不會降低太多。因此，二者以耗電量相同的傳輸距離為分界點區分使用。最近，利用硅光子的光傳輸和電傳輸在傳輸距離為1cm時的耗電量基本相同，因此，在比以前短很多的距離間也有望利用光傳輸（圖2）。

比如，2013年3月IBM利用硅光子技術開發出了耗電量為1pJ/bit的光收發器IC。預計電傳輸的最低耗電量在傳輸距離為1cm時約為150fJ（0.15pJ）/bit（圖3）1）。雖然還有好幾倍的差距，但如果隻限於光傳輸的各項功能，耗電量比IBM的試制品小2、3位數的技術也已開發出來。

圖3：在不遠的將來，微處理器內核間的傳輸必然要採用光傳輸 本圖為微處理器的CPU內核間傳輸等的電傳輸技術和光傳輸技術的耗電量。今后的高性能微處理器光憑電傳輸將無法實現耗電量的要求條件。而在距離為1cm的傳輸中，光傳輸的耗電量與電傳輸基本相同。還出現了各部件的耗電量比電氣方式大幅降低的例子。（攝影：IBM）

在用途方面對硅光子光傳輸的期待也越來越高。隨著以提高微處理器速度為目的的多核化和眾核化的推進，必須要大幅增加內存帶寬和CPU內核間的數據傳輸容量。但多核化會導致CPU內核間的傳輸距離增長。而且，傳輸容量必須擴大到與內核內的全局布線相當的程度。對電傳輸而言，條件越來越苛刻。而對於正處於發展期的硅光子光傳輸，今后其耗電量還需要大幅降低。（日經技術在線！ 供稿）