電子傳輸數(shù)據(jù)速度慢，光子傳輸數(shù)據(jù)將取而代之

（文章來源：上品悅讀）

光子學(xué)也許能解決超級復(fù)雜的問題，但是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)仍然存在：如何將電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成硅芯片上的光？將電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成硅片上的光是復(fù)雜的，因?yàn)楣璨话l(fā)光。但是辦法總比問題多，德國的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出微型納米線激光器，可以在芯片上產(chǎn)生并傳輸光。光波邏輯電路公司正在研制一種聚合光子集成電路，它的光子發(fā)射機(jī)能以每秒800GBT的速度工作，比一般數(shù)據(jù)傳輸方式都快得多。

隨著光子傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)將會在將來普及到數(shù)據(jù)傳輸方式上，那么光子傳輸數(shù)據(jù)會有哪些優(yōu)勢呢？為了跟上云計(jì)算需求的增長，數(shù)據(jù)中心正以驚人的速度在許多方面擴(kuò)張。每一個(gè)新一代的處理器芯片都比上一代包含更多的晶體管，服務(wù)器板也包含越來越多的處理器，數(shù)據(jù)中心將變得更大以容納更多的服務(wù)器機(jī)架。

地球上最大的數(shù)據(jù)中心位于內(nèi)華達(dá)州太浩里諾的城堡校園，占地近70萬平方米，相當(dāng)于61個(gè)足球場。在如此巨大的數(shù)據(jù)中心存的存儲機(jī)架存在著諸多缺點(diǎn)，即使是機(jī)架到機(jī)架之間的通信也需要在一定的距離和帶寬上傳輸數(shù)據(jù)，而目前的光纖通道設(shè)計(jì)不支持這種帶寬。超過每根纖維芯每秒100MBT的速度會造成數(shù)據(jù)信號的嚴(yán)重失真，并可能導(dǎo)致一種稱為纖維融合的現(xiàn)象，即纖維芯熔化。

丹麥技術(shù)大學(xué)在開發(fā)下一代光纖方面處于領(lǐng)先地位，這種光纖可以處理上述通信問題。他們通過建立基于高計(jì)數(shù)、單模、多芯光纖的光學(xué)多路復(fù)用系統(tǒng)，打破了現(xiàn)有的傳輸障礙。當(dāng)與放大器相結(jié)合時(shí)，該系統(tǒng)能夠以每秒超過1000公里的速度傳輸1pb的超高容量光。我們知道生產(chǎn)力提高會降低生產(chǎn)成本，該光學(xué)多路復(fù)用系統(tǒng)可能會使數(shù)據(jù)中心的平均成本、每比特的能量和空間降低10倍。

為了將數(shù)據(jù)通過光纜傳輸，芯片上的電子信號必須轉(zhuǎn)換成光。讓光在傳統(tǒng)的電纜內(nèi)傳輸，意味著激光，探測器和電子設(shè)備，要幫助調(diào)制光脈沖都位于電纜外殼。當(dāng)這種光電轉(zhuǎn)換盡可能靠近芯片時(shí)，傳輸性能就會提高。因此，世界各地的研究實(shí)驗(yàn)室一直在尋找使光學(xué)元件更接近處理器的方法。最終目標(biāo)是在芯片本身上執(zhí)行轉(zhuǎn)換，這將使電光通路在納米尺度上并行運(yùn)行。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)認(rèn)為將電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成硅芯片上的光是很復(fù)雜的。在計(jì)算領(lǐng)域，半個(gè)世紀(jì)以來半導(dǎo)體物理學(xué)幾乎都是基于硅有關(guān)的工作，而硅不發(fā)光。但是現(xiàn)在半導(dǎo)體物理學(xué)進(jìn)入了材料科學(xué)的新領(lǐng)域：硅光子學(xué)。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出比人類頭發(fā)還要細(xì)1000倍的微型納米線激光器，可以在芯片上產(chǎn)生和傳輸光。慕尼黑工業(yè)大學(xué)已經(jīng)在硅波導(dǎo)上培育出了砷化鎵的絲狀晶須，它被用于第一次激光演示。當(dāng)把這些晶體做得非常薄時(shí)，薄到直徑300納米，這時(shí)晶體管的工作效率非常高。

為了更好地理解這種性能，舉個(gè)例子，一般搜索引擎要查詢一個(gè)關(guān)鍵詞，要消耗每BT1毫微焦耳的電能。但是如果使用硅光子這種新結(jié)構(gòu)材料，電能消耗將下降到1F焦耳BT，這是每比特信息的一百萬倍的能源效率。如果硅光子材料的生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，對全球能源消耗的影響將是巨大的。在過去的四年里，其它一些實(shí)驗(yàn)室也在硅芯片上演示了光學(xué)發(fā)電，芯片激光器的商業(yè)應(yīng)用將比許多人預(yù)測的要快，大約6到8年就能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

在這個(gè)硅光子學(xué)的新時(shí)代，聚合物可能使在復(fù)合半導(dǎo)體和硅平臺上集成光子學(xué)成為可能。在英國光電子先驅(qū)Michael Lebby的指導(dǎo)下，美國Lightwave Logic公司利用有機(jī)聚合物開發(fā)了新型脊形波導(dǎo)調(diào)制器。與之前的設(shè)計(jì)相比，該材料的溫度更穩(wěn)定，并提供了一個(gè)具有巨大的結(jié)構(gòu)性能和能源效率潛力的平臺。由于這種聚合物可以承受極高的溫度，所以在標(biāo)準(zhǔn)的芯片生產(chǎn)過程中，新型脊形波導(dǎo)調(diào)制器可以被噴到硅上。

這種調(diào)制器已經(jīng)具備了傳輸數(shù)據(jù)速率超過50Gbps每秒的帶寬能力，這是許多數(shù)據(jù)中心正在設(shè)法達(dá)到的數(shù)據(jù)速率。該團(tuán)隊(duì)目前正在研究一種先進(jìn)的聚合物結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能使發(fā)射機(jī)的功率達(dá)到每秒800吉GBT。

聚合物光子集成電路將在未來十年解決大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，聚合物光子集成電路具有高溫穩(wěn)定性、可靠性、高性能、低功耗和簡單的制造技術(shù)，非常適合作為制造聚合物發(fā)動機(jī)的載體，不僅用于數(shù)據(jù)應(yīng)用，而且隨著基于電池的手持產(chǎn)品的發(fā)展，也適用于醫(yī)療、消費(fèi)者和汽車行業(yè)。
（責(zé)任編輯：fqj）