向万亿级高带宽前进

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7月27日，英特尔公司宣布了一项重大技术进步，使用光束替代电子在计算机内部及周边进行数据传输。英特尔已经开发出世界上首个集成了激光器的硅基光电数据联结系统研究原型。与目前的铜缆技术相比，它可以实现更长距离的数据传输以及数倍的速度提升，每秒可传输高达50GB的数据――相当于一部完整的高清电影。

硅与光的半世姻缘

1960年，Ted Maiman发明了第一个激光器，而这项发明在最初一段时间内并无任何实际用途，人们还不知道激光可以用来做些什么。半个世纪之后，激光已经成为医药、制造、娱乐领域的重要工具，并且推动了所有远程通信的发展。然而，由于成本的限制，激光及相关的器件还没有成为日常生活应用的常客。

1959年，仙童半导体公司的Robert Noyce(英特尔公司的创始人之一)和德州仪器的工程师Jack Kilby几乎同时发明了基于硅的集成电路，而前者的发明更加适合进行商业化。半个世纪之后，硅集成电路由当初的2个晶体管发展到现在的数十亿个晶体管，并不断提高性能、降低计算成本，摩尔定律更推动着半导体芯片技术持续高速前进，取得一个又一个革命性的技术突破，我们的计算设备也从大型机、小型机，向着工作站、台式机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机这样的小型化之路发展。

将半导体制造技术的大批量、低成本、高集成度、灵活扩展等特性，与激光器(及光纤)的超高带宽、长距离、低功耗、无电磁干扰等特性结合起来，这个大胆的设想在英特尔的工程师脑中已经孕育了近10年，并且在过去的六七年时间里一步一个脚印地解决了激光的发射、操纵、结合、分离和探测的技术难题，成功开发并产品化了LightPeak技术(公布于2009年9月24日的秋季IDF大会上)，为各种外部设备与PC之间的高速低成本光连接提供了成熟的解决方案。

英特尔公司首席技术官、高级院士兼英特尔研究院总监贾斯汀在大会主题演讲中向人们描绘了2015年利用高速光连线技术的惊人体验。届时，用户将拥有150亿个消费电子设备能够提供电视内容，可供播放的视频将达到成百数千亿个小时。LightPeak技术将提供10Gb，s的高带宽，支持更小的设备接口以及更长、更细、更灵活的主流光连线技术，并可通过单根连线连接任何设备。

从电到光，潜力无穷

现在人们使用的计算机组件都是通过铜缆或电路板上的线路互相连接的。由于使用铜等金属进行数据传输会产生信号衰减，这些缆线所允许的最大长度十分有限。这极大束缚了计算机的设计，迫使处理器、内存和其他组件相互间的距离必须设置在几英寸以内。今天公布的研究成果，使我们向着以超轻超细光纤替代金属连接线路的目标又前进了一步，从而在更长的距离上传输更多的数据，彻底改变未来计算机的设计方式及数据中心的架构方式。

硅光电技术将在计算行业实现广泛的应用。例如，有了如此高速的数据传输速度，你可以想象家庭娱乐和视频会议也能享受墙体般大小的3D屏幕，而且高清的体验会让你感觉演员或者家人似乎就在你身边。未来数据中心或超级计算机的组件可能会分布在整个大楼甚至园区的不同位置，相互之间进行高速通信，完全不同于如今基于容量和传输距离有限的铜线的设计。这将帮助搜索引擎公司、云计算服务提供商或金融数据中心等数据中心用户提高性能和容量、节约空间与能源成本；或者帮助科学家构建更强大的超级计算机来解决世界面临的重大问题。

英特尔首席技术官兼英特尔研究院总监贾斯汀(Justin Rattner)在美国加州Monterey举行的集成光电技术研究大会上展示了这款硅基光电联结系统原型。这个传输速度高达50Gbps的联结系统类似于一款“概念车”，让英特尔研究人员可以在此联结系统上测试新想法，基于成本低廉且易于制造的硅继续开发利用光束在光纤上传输数据的技术，而不是使用像砷化镓这样的特殊材料做成的成本昂贵、制造困难的元件。尽管电信及其它领域已经在使用激光来传输信息，但对于PC行业来说，目前的技术应用成本还过于昂贵且元件体积过大。

贾斯汀表示：“我们的长期愿景是‘硅化’光子，把高带宽、低成本的光通信引入未来的PC、服务器和消费设备中。这款全球首次利用集成混合硅激光器开发的50Gbps硅基光电联结系统标志着实现这一愿景的重要里程碑。”

下下一代的LiqhtPeak技术?

这个50Gbps硅基光电联结系统原型是英特尔在硅光电学领域多年研究的结晶，其中包括了数个“世界第一”的研究成果。它包含一个硅发射器和一个接收器芯片，两者都集成了所有必需的构建模块，并融入英特尔历年来的多项突破性技术成果，包括与加州大学圣塔芭芭拉分校合作开发的第一个混合硅激光器以及2007年的高速光调制器和光电探测器。

发射器芯片包括四个激光器，通过它们发射的光束分别进入一个光调制器，而后者则以12.5Gbps的速度对数据进行编码。然后，这四条光束将被集中起来并输出到一条光纤内，总的数据传输速率将达到50Gbps。在联结系统的另一端，接收器芯片会对这四条光束进行分离，并导人到各光电探测器中，后者把数据转换回电信号。两个芯片都使用PC行业常用的低成本制造技术进行装配。通过提高调制器速度和增加每个芯片激光器数量的方式，英特尔研究人员正在努力提高数据传输速率，为未来的Tb/s级光学联结系统铺平道路。Tb/s级光学联结系统可以在一秒钟内完成一台笔记本电脑中所有内容的传输。

虽然这项研究与“Light Peak光峰”技术均是英特尔整体I/O战略的一部分，但是这两项研究是彼此相互独立的，并且LightPeak已经进入到产品化阶段，将在近期内把多协议10Gbps光学联结系统引入英特尔的客户端平台中。然而对于那些数据更加密集的高端应用，以及未来可能成为主流的一些消费级应用，10Gbps的带宽只是一个起点，还远远不够。例如4倍高清(2160p)，24位色深、60Hz的刷新率，对数据带宽的需求就将达到11.94Gbps，假如采用48位色深、120Hz的刷新率(3D显示的基本要求)，带宽需求将达到47.78Gbps，这就要求英特尔必须持续研究下一代的LightPeak技术，以达到20Gbps甚至50Gbps的性能要求。英特尔今天公布的研究成果，正是为了将来的应用需求所做的技术开发储备。

英特尔在硅光电学领域的研究，旨在利用硅集成技术大幅降低成本、达到万亿级数据传输，让光通信实现更广泛的大规模应用。今天的成果让英特尔在实现这一目标的道路上又前进了一大步。