計(jì)算機(jī)業(yè)的里程碑：光子革命

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新聞來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)

在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中，人們先研究光，然后才研究電。1947年晶體管的發(fā)明，引發(fā)了電子學(xué)和電子集成電路的快速發(fā)展。如今，用硅制作的電子集成電路、計(jì)算機(jī) 已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶。計(jì)算機(jī)的速率已經(jīng)到達(dá)千億次比特/秒，還能夠進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度嗎？人們將目光轉(zhuǎn)向傳輸速度更快的“光”了。事實(shí)上， “電”能夠完成的功能就不必采用“光”，而“電”難以完成的功能就需要采用“光”，這就是光子學(xué)出現(xiàn)的原因。

地球上硅的含量很多，僅次于氧，而且硅的提純技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很高的水平。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)硅不但是很好的電學(xué)材料，還是很好的光學(xué)材料。用標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝制造的硅光子集成線路，與電子集成電路兼容，成本低、易制造、便于控制，優(yōu)點(diǎn)是其它光子材料無(wú)法比擬的。將光引入到芯片與芯片，以及芯片內(nèi)各部分之間的數(shù)據(jù)連接中，形成高速率、低損耗的光互連，這場(chǎng)發(fā)生在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的光子革命由此拉開(kāi)了序幕。

不久前，英特爾公司成功研制出了世界上第一個(gè)集成了激光器的硅光子數(shù)據(jù)連接系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高達(dá)500億比特/秒。這項(xiàng)技術(shù)旨在把高帶寬、低成本的光通信技術(shù)引入到各種計(jì)算機(jī)設(shè)備中，它預(yù)示著光子將在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取代電子成為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接的主要載體，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上一個(gè)重要里程碑。

近年來(lái)，硅光子器件接連取得重大突破，如混合型硅激光器、高速硅電光調(diào)制器以及硅基長(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器等。英特爾公司采用不同的硅光子器件組成一個(gè)完整的光收發(fā)模塊，它包含了發(fā)射器芯片和接收器芯片。在發(fā)射器芯片上，由激光器產(chǎn)生連續(xù)激光，隨后光進(jìn)入光調(diào)制器，用電脈沖對(duì)光作數(shù)據(jù)編碼，速率是 125億比特/秒，一共有4路，都集中到一條光路輸出，總?cè)萘烤瓦_(dá)到500億比特/秒；在接收器芯片上，先將接收到的4條光束分離，分別輸入到光電探測(cè)器中復(fù)原為電信號(hào)。由于數(shù)據(jù)是在光路中傳輸，因此連接系統(tǒng)的傳輸帶寬大，功耗也很低。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)信息技術(shù)的發(fā)展表明，用光子代替電子實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接是不可阻擋的歷史潮流。光纖逐步取代銅電纜，從骨干網(wǎng)到城域網(wǎng)，再到局域網(wǎng)，直至現(xiàn)在備受關(guān)注的接入網(wǎng)，呈現(xiàn)“光進(jìn)銅退”的大趨勢(shì)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，光子攻占電子領(lǐng)地，不斷向計(jì)算機(jī)的周圍及其內(nèi)部逼進(jìn)，在機(jī)柜之間、電路板之間、芯片之間、甚至芯片內(nèi)，傳統(tǒng)的電互連正一步一步被光互連所取代。只不過(guò)，在芯片上傳輸光的并不是光纖，而是集成的硅基光波導(dǎo)。

用光子（光量子）代替電子傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，將徹底改變未來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)架方式�，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都是通過(guò)金屬線互相連接，受制于帶寬，金屬線的長(zhǎng)度十分有限。使用光傳送數(shù)據(jù)，就能把分散在各個(gè)角落的組件連接起來(lái)，從而幫助數(shù)據(jù)中心提高性能和容量，節(jié)約空間與能源，構(gòu)建更強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)。