IBM完成CMOS硅光制程大突破 可實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)兆次運(yùn)算
最近，IBM是在日本千葉幕張所舉辦的Semicon Japan展會(huì)中，公布名為CMOS整合硅納米光電（CMOS Integrated Silicon Nanophotonics；CISN）的技術(shù)，以及首先應(yīng)用的光學(xué)收發(fā)器樣品。這個(gè)光學(xué)收發(fā)器模塊將光調(diào)變器、光波導(dǎo)組件、波長(zhǎng)多任務(wù)器、光交換器和光偵測(cè)組件，整合在單一CMOS芯片中，預(yù)計(jì)在2011年可進(jìn)入商業(yè)化階段。
該技術(shù)是以既有的CMOS制程為基礎(chǔ)，以可用光脈沖加速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓杓{米光電技術(shù)?？梢灶A(yù)測(cè)，在不久的將來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)將可全面取代目前芯片之間傳輸容量較低的銅線設(shè)計(jì)，讓芯片與芯片的傳輸速率突破百萬(wàn)兆次（million trillion；exaflop）數(shù)學(xué)運(yùn)算等級(jí)，進(jìn)而提高超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力達(dá)1000倍以上，百萬(wàn)兆級(jí)系統(tǒng)（exascale system）已經(jīng)不是夢(mèng)！
這事IBM在納米光電（nanophotonics）技術(shù)上的又一重大突破。據(jù)了解，IBM開(kāi)發(fā)納米光電技術(shù)已經(jīng)有一段時(shí)間。CISN技術(shù)最大的突破在于，可以既有CMOS制程和標(biāo)準(zhǔn)硅芯片生產(chǎn)線來(lái)落實(shí)，并不需要其它額外的設(shè)計(jì)工具或制程，突破了硅光（silicon photonics）組件技術(shù)的瓶頸，并大幅降低硅光模塊的成本價(jià)格，更加速了納米光電技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。
以往的光學(xué)組件多半是采用砷化鎵或是磷化銦等材料，硅材料雖然是價(jià)格較低廉的另外選擇，不過(guò)往往會(huì)產(chǎn)生光傳輸效能不彰的問(wèn)題，特別是在射極組件部份，因此射極組件多半采用三五族化合物材料。這也是為什么，IBM推出CISN技術(shù)為基礎(chǔ)的光學(xué)收發(fā)器樣品中，硅材料的射極組件尚未整合在內(nèi)的原因。不過(guò)CISN技術(shù)已經(jīng)可以將大部分光學(xué)組件轉(zhuǎn)換為硅材料和CMOS晶圓制程，就是相當(dāng)重要的突破。
目前IBM所展示的樣品是采用130奈米CMOS制程，不過(guò)IBM期待不久后便能進(jìn)入100奈米以下的CMOS制程階段。這是IBM在CISN制程技術(shù)的另一項(xiàng)突破，把鍺（germanium）層埋在CMOS堆棧層的底部。IBM宣稱(chēng)這樣的設(shè)計(jì)可讓芯片尺寸縮減到1/10，讓65納米CMOS制程芯片上的奈米光電組件尺寸，進(jìn)一步縮小到1公厘平方面積的一半而已。
現(xiàn)在IBM強(qiáng)調(diào)的是CISN技術(shù)可進(jìn)入CMOS晶圓制程階段，首批光學(xué)收發(fā)器產(chǎn)品預(yù)計(jì)可在明年進(jìn)入商業(yè)化進(jìn)程。對(duì)于CISN技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展藍(lán)圖，IBM規(guī)劃先從服務(wù)器和超級(jí)計(jì)算機(jī)之間的傳輸開(kāi)始，按部就班地過(guò)渡到同一系統(tǒng)內(nèi)板子之間的傳輸階段，然后進(jìn)入到同一基板內(nèi)芯片之間的傳輸階段。更為長(zhǎng)期的目標(biāo)規(guī)劃，是把CISN技術(shù)滲透到晶體管內(nèi)部之間也采用奈米光電技術(shù)的最終階段。
藉由提高光電傳輸頻寬和晶體管整合密度，IBM預(yù)估這項(xiàng)CISN技術(shù)為基礎(chǔ)的CMOS硅光組件，10年內(nèi)可讓超級(jí)計(jì)算機(jī)在10年內(nèi)進(jìn)入百萬(wàn)兆級(jí)運(yùn)算（exascale computing）等級(jí)。目前運(yùn)算能力最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，數(shù)學(xué)運(yùn)算速度在每秒2000兆次（2 petaflops；2000 trillion）等級(jí)?，F(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)雖然已經(jīng)采用光學(xué)技術(shù)作為芯片之間傳輸?shù)幕A(chǔ)，不過(guò)傳輸速度只能在rack-level階段，且只能藉由單一光波長(zhǎng)來(lái)傳輸。IBM的硅光模塊可采取多信道設(shè)計(jì)，整合于單一基板上，支持多個(gè)同時(shí)并行的光波長(zhǎng)傳輸。
未來(lái)以CISN技術(shù)為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)的硅光組件，可將電子和光學(xué)收發(fā)模塊整合在單一芯片上，取代傳輸容量較低的銅線，讓CMOS晶體管所產(chǎn)生的電子訊號(hào)，轉(zhuǎn)換成光的脈沖，進(jìn)而大幅加速芯片之間的傳輸速度。
除了IBM之外，英特爾和Luxtera也同樣正在開(kāi)發(fā)硅納米光電技術(shù)的微型化制程。英特爾也公布自己整合光學(xué)和雷射組件的光收發(fā)器樣品，同樣是采用4信道設(shè)計(jì)，個(gè)別信道每秒傳輸速率為12.5Gb/s。不過(guò)這項(xiàng)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，英特爾還沒(méi)有公布商業(yè)化進(jìn)程時(shí)間表。英特爾的光收發(fā)器雖是以硅材料為基礎(chǔ)，但也有添加磷化銦材料在內(nèi)。
另一方面，Luxtera已經(jīng)先開(kāi)發(fā)出硅光組件收發(fā)器，可藉由4個(gè)多通道，個(gè)別傳輸每秒100億位、也就是10Gb的數(shù)據(jù)量，Luxtera也公布了每信道可傳輸25Gb數(shù)據(jù)量的硅光組件收發(fā)器設(shè)計(jì)。Luxtera認(rèn)為，采用傳統(tǒng)的光學(xué)材料，也是可以達(dá)到技術(shù)上和成本上的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)產(chǎn)品也即將進(jìn)入商業(yè)化階段。
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