最近，IBM是在日本千葉幕張所舉辦的Semicon Japan展會中，公布名為CMOS整合硅納米光電（CMOS Integrated Silicon Nanophotonics；CISN）的技術，以及首先應用的光學收發(fā)器樣品。這個光學收發(fā)器模塊將光調(diào)變器、光波導組件、波長多任務器、光交換器和光偵測組件，整合在單一CMOS芯片中，預計在2011年可進入商業(yè)化階段。
該技術是以既有的CMOS制程為基礎，以可用光脈沖加速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓杓{米光電技術?？梢灶A測，在不久的將來，這項技術將可全面取代目前芯片之間傳輸容量較低的銅線設計，讓芯片與芯片的傳輸速率突破百萬兆次（million trillion；exaflop）數(shù)學運算等級，進而提高超級計算機的運算能力達1000倍以上，百萬兆級系統(tǒng)（exascale system）已經(jīng)不是夢！
這事IBM在納米光電（nanophotonics）技術上的又一重大突破。據(jù)了解，IBM開發(fā)納米光電技術已經(jīng)有一段時間。CISN技術最大的突破在于，可以既有CMOS制程和標準硅芯片生產(chǎn)線來落實，并不需要其它額外的設計工具或制程，突破了硅光（silicon photonics）組件技術的瓶頸，并大幅降低硅光模塊的成本價格，更加速了納米光電技術的商業(yè)化進程。
以往的光學組件多半是采用砷化鎵或是磷化銦等材料，硅材料雖然是價格較低廉的另外選擇，不過往往會產(chǎn)生光傳輸效能不彰的問題，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技術為基礎的光學收發(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CISN技術已經(jīng)可以將大部分光學組件轉換為硅材料和CMOS晶圓制程，就是相當重要的突破。
目前IBM所展示的樣品是采用130奈米CMOS制程，不過IBM期待不久后便能進入100奈米以下的CMOS制程階段。這是IBM在CISN制程技術的另一項突破，把鍺（germanium）層埋在CMOS堆棧層的底部。IBM宣稱這樣的設計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，進一步縮小到1公厘平方面積的一半而已。
現(xiàn)在IBM強調(diào)的是CISN技術可進入CMOS晶圓制程階段，首批光學收發(fā)器產(chǎn)品預計可在明年進入商業(yè)化進程。對于CISN技術的應用發(fā)展藍圖，IBM規(guī)劃先從服務器和超級計算機之間的傳輸開始，按部就班地過渡到同一系統(tǒng)內(nèi)板子之間的傳輸階段，然后進入到同一基板內(nèi)芯片之間的傳輸階段。更為長期的目標規(guī)劃，是把CISN技術滲透到晶體管內(nèi)部之間也采用奈米光電技術的最終階段。
藉由提高光電傳輸頻寬和晶體管整合密度，IBM預估這項CISN技術為基礎的CMOS硅光組件，10年內(nèi)可讓超級計算機在10年內(nèi)進入百萬兆級運算（exascale computing）等級。目前運算能力最快的超級計算機，數(shù)學運算速度在每秒2000兆次（2 petaflops；2000 trillion）等級?，F(xiàn)在的超級計算機雖然已經(jīng)采用光學技術作為芯片之間傳輸?shù)幕A，不過傳輸速度只能在rack-level階段，且只能藉由單一光波長來傳輸。IBM的硅光模塊可采取多信道設計，整合于單一基板上，支持多個同時并行的光波長傳輸。
未來以CISN技術為基礎所設計的硅光組件，可將電子和光學收發(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，轉換成光的脈沖，進而大幅加速芯片之間的傳輸速度。
除了IBM之外，英特爾和Luxtera也同樣正在開發(fā)硅納米光電技術的微型化制程。英特爾也公布自己整合光學和雷射組件的光收發(fā)器樣品，同樣是采用4信道設計，個別信道每秒傳輸速率為12.5Gb/s。不過這項技術仍處于實驗室階段，英特爾還沒有公布商業(yè)化進程時間表。英特爾的光收發(fā)器雖是以硅材料為基礎，但也有添加磷化銦材料在內(nèi)。
另一方面，Luxtera已經(jīng)先開發(fā)出硅光組件收發(fā)器，可藉由4個多通道，個別傳輸每秒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)器設計。Luxtera認為，采用傳統(tǒng)的光學材料，也是可以達到技術上和成本上的優(yōu)勢，相關產(chǎn)品也即將進入商業(yè)化階段。
下載文檔
