光互连硅光器件与PIC现状和发展趋势

   由中国计算机学会主办，中国软件行业协会数学软件分会协办，中国计算机学会高性能计算委员会、桂林电子科技大学共同承办的2013年全国高性能计算学术年会（HPC China2013）在广西桂林召开。

　　本届盛会围绕着高性能计算技术的研究进展与发展趋势、高性能计算的重大应用等主题展开，促进信息化与工业化的深度融合，为相关领域的学者提供交流合作、发布前沿科研成果的平台，推动中国高性能计算的发展。本次会议邀请了美国HPC Advisory Council的加盟，还邀请国内外知名超算中心主任参加，并举行“云计算”、“大科学工程中的高性能计算”论坛。中科院半导体研究所研究员俞育德在论坛是作题为《光互连用硅基光子器件与光子集成的现状和发展趋势》报告。

    光子学是一门研究光子的产生和运动特性、光子同物质的相互作用及其应用的前沿学科，硅光子学专门研究硅以及硅基异质结材料（诸如sige/si、soi等）等介质材料中光子的行为和规律，着重研究硅基光子器件的工作原理、结构设计与制造以及在光通信、光计算等领域中的实际应用。《硅光子学》共19 章，分别介绍硅基光子学基础、应用和发展趋势；硅基异质结构和量子结构的物理性质、制备方法；硅基光子器件，包括硅基发光器件、探测器、光波导器件；硅基光子晶体、硅基光电子集成、硅基光互连以及硅基太阳能电池。

    对于光互联，俞育德说，未来十年的高性能计算机将由电互联技术向光互联技术方向转变，其原因是光互联可以将芯片之间的互联距离拉近，而且具有低延迟、多路信号和低功耗等优势。

　　对于光子集成的要求和发展俞育德提出了四点趋势。

　　1、 传输波长的选择

　　光纤通信的波长是由光纤的传输窗口决定的，光互联的波长则由光波导的波长来优选。因此光波导的材料、结构和特性将在光互联应用中处于决定性的位置。显然，1.55和2.3微米波段具有许多优势。

　　2、 超高速的要求

　　目前电互联中电子器件的速率为10Gb/s左右，并行运算的计算机整机的速率已达到千万亿次的高速率。

　　进一步对器件的需求是100Gb/s的高速率。光互联的超高速率目标位：2015年和2022年终的I/O速率将分别达到82Tbit/s和230Tbit/s.

    3、 低功耗的要求

　　信息网络中，Pb/s量级节点的年耗电量将超过1000亿度，比三峡大坝满负荷发电量还有。为了在足够低的芯片能耗下实现高比特率，要求片外总消耗量~50-170fj/b，器件能量~2-30fj/b，片上总能耗~10-30fj/b，器件能量~2-6fj/b.这些指标比当前的器件水平低3-5个能量数。

　　4、 集成技术的途径

　　硅光子学的出现给光子集成带来了希望。成熟的CMOS工艺提供了极好的技术基础，Si、SOI和SiGe等同CMOS兼容，因此应用CMOS工艺制造光子集成回路是佳的选择和比由之路。

    硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。近年来，硅基光电子的研究在国内外不断取得引人注目的重要突破，世界各发达国家都把硅基光电子作为长远发展目标。

　　随着微处理器性能呈指数增长，以及超大规模集成电路技术日益逼近它的极限，计算机系统内部通信速度和带宽落后于处理器芯片运算速度的趋势日益扩大，铜互连将成为计算机系统整体性能提升的瓶颈。以实现硅基光电集成为目标的硅基光子学的不断成熟有望解决这一难题。

    在超级计算机之外也存在耗电量将成为大问题的用途。这就是通信网络。虽然其大部分已在使用光通信，但在实施IP数据包路径控制的路由器内部却进行着“光电或电光间的转换”以及“利用电信号进行IP数据包处理”。据NTT微系统集成研究所介绍，日本通信网络的路由器耗电量目前占日本总耗电量的约1%。

   硅光子技术的定位已开始大幅变化。原来的光布线及光路以通过光来接替实施电布线无法实现的长距离数据传输的形式实现实用化。也就是说，光布线的实用化将按照通信网络到服务器机壳间的连接，再到基板间及基板内的顺序推进，而硅光子排在后，一直被认为是仅对高性能处理器的芯片内部进行处理的技术。

    以基于硅光子技术的IC实用化为契机，研发体制也发生了变化。以往的研发总的来说是以学术机构为中心推进的，而如今正在走向以厂商主导的实用化为目标的真正形式。其中尤其要提到的是意在通过硅光子技术使处理器性能得以飞跃性提高的技术开发，在国家支援体制下，日美欧厂商及研究机构展开了激烈竞争。

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