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硅光子技术将由数据中心向更广泛的应用领域扩展

王伟 2019/1/8 8:49:00

  硅光子是一种令人振奋的技术,它融合了光学、CMOS技术以及先进的封装技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性,因而能够降低成本。据市场调研机构预测,在2020年以前,硅光子芯片将远远超越铜布线的能力,而其解决方案可望部署于高速的讯号传输系统中。在2025年及其后,这项技术将更广泛地用于处理互连多核心与处理器芯片等应用中。以芯片级而言,这一市场预计将在2025年时达到15亿美元。

  目前,硅光子技术在数据中心领域的应用率先取得了成功。早在2009年,英特尔就将硅光子技术用在了光传输上,致力于多核处理器技术的快速发展,提升计算机的运算性能。这种技术是指在倍增区施加电场,通过吸收层一个光子激发一个电子来到倍增区,在经过系统列电离化后产生10倍~100倍的电子,以放大信号。雪崩探测器这个特别的结构可以让它在光信号接受这一过程,要么缩短传输距离N倍,要么节能N倍。对于未来的处理器来说,硅光电系列在传输的信息量不变的情况下可以节能数十倍或是上百倍,如果在同样的功耗下则可以增加数十倍或上百倍的传输距离。通过提高光调制器的编码速度以及增加每块芯片上激发起的数量,来让数据的传输速度达到1Tbps,以便应对未来的数据密集型应用,这会给数据中心和云计算中心的架构带来全新的改变。

  除了数据中心,硅光子技术还可以应用于其它令人关注的应用,包括高性能计算、电信、传感器、生命科学以及量子运算等高阶应用。

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  硅光子技术应用范围

  高性能计算

  高性能计算通常指的是把计算能力集合起来,提供比一般台式计算机或工作站更高的计算性能,以解决科学、工程或商业中的大型问题。凭借微处理器性能的加速提升,以及近期涌现的多处理器芯片(CMP),高性能计算系统的性能瓶颈已经从处理器转为通信基础设施。

  因此,通过利用波分复用(WDM)的并行性和容量,光互连可以提供高带宽、低延迟的解决方案,以解决未来计算系统带宽可扩展性的挑战。光联接存储系统可以通过高带宽容量、能效比特率透明性以及飞行时间延时实现持续的性能扩展。

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  硅光子技术是超级计算市场的重要研究方向

  电信

  电信领域也是硅光子技术的一个可能应用,相比现有的光通信技术,硅光子组件在低成本、高集成度、更丰富的功能嵌入、更高的互联密度、更低的功耗以及更高的可靠性方面,能够满足当前数据中心提出的新要求。越来越多的厂商开始争相进入硅光子产业。目前大多为100G数据传输速率产品,很快400G产品也将陆续登场。除了领导厂商Luxtera,Acacia公司的单芯片硅光子100G相干收发器获得了市场应用,为硅光子技术在电信领域的应用开辟了道路。

  在流量高速增长、5G密集组网以及数据中心建设等新需求的推动下,光模块的需求量与日俱增,市场规模不断增大,作为高集成度技术方案,硅光子技术在光通信市场会逐步赢得青睐。在去年8月份,由国家信息光电子创新中心、光迅科技公司等单位联合研制的“100G硅光收发芯片”正式投产使用,在一个不到30平方毫米的硅芯片上,集成了包括光发送、调制、接收等近60个有源和无源光元件,是目前世界上集成度最高的商用硅光子集成芯片之一。超小型、高性能、低成本、通用化等优点,使其可广泛应用于传输网和数据中心光传输设备。

  生物化学和气体传感器

  硅光子技术对于生物医疗和传感器的传感应用,也是值得关注的平台。未来的自动驾驶汽车为了高速响应性能,需要极低延时的高等级安防系统。LiDAR(激光雷达)也是硅光子技术极具吸引力的应用,IMEC(欧洲微电子研究中心)已经启动了多项研发计划,正在开发必要的相关技术。对于航空航天应用,尺寸和重量对于降低功耗都是非常关键的参数,因此硅光子技术也有用武之地。

  随着具发展前景的大量新兴可携式应用崛起,业界对于气体侦测的兴趣日益重要。将生物化学或气体传感器整合于智能型手机或可穿式装置中,正成为许多公司发展蓝图的一部份,但这一类装置的尺寸、成本与灵敏度目前仍然存在问题。为了让光学式气体传感器更进一步微缩,有些公司已经开始思考采用硅光子技术作为其装置的整合平台。

  量子运算

  光量子计算机使用光子来编码量子比特,通过对光子的量子操控及测量来实现量子计算,有望解决密码破译、分子模拟、大数据处理等传统计算机难以解决或解决不好的计算任务。去年8月份,中国的军事科学院国防科技创新研究院、国防科技大学、中山大学和北京大学,以及英国的布里斯托尔大学等机构的科研人员合作,利用硅基光波导芯片集成技术,设计并开发出面向通用量子计算的核心光量子芯片。使用这一芯片制造的光量子计算机可实现小规模量子检索、分子模拟和组合优化问题等应用。这是推动光量子计算机大规模实用化的重要一步。


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