光互連

簡(jiǎn)介

       光互連已被用作電腦和行動(dòng)設(shè)備連線的方式之一，也用在電腦的主板及設(shè)備上。

       IBM已經(jīng)建立一個(gè)波分復(fù)用的光互連通訊協(xié)定，若此技術(shù)成功，會(huì)產(chǎn)生第一個(gè)可以百萬(wàn)兆等級(jí)運(yùn)算（每秒可以處理百萬(wàn)兆個(gè)指令）的電腦。其中會(huì)有波導(dǎo)管將八種不同顏色的光束發(fā)射到調(diào)變器的七個(gè)接口中，因此八個(gè)資料可以同時(shí)傳送。多波長(zhǎng)的光速延著芯片傳播，再利用光學(xué)開(kāi)關(guān)來(lái)切換方向。

光導(dǎo)纖維

       光導(dǎo)纖維（英語(yǔ)：Optical fiber），簡(jiǎn)稱光纖，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，利用光在這些纖維中以全反射原理傳輸?shù)墓鈧鲗?dǎo)工具。微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管或一束激光將光脈沖傳送至光纖中，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測(cè)脈沖。包含光纖的線纜稱為光纜。由于信息在光導(dǎo)纖維的傳輸損失比電在電線傳導(dǎo)的損耗低得多，更因?yàn)橹饕a(chǎn)原料是硅，蘊(yùn)藏量極大，較易開(kāi)采，所以價(jià)格很便宜，促使光纖被用作長(zhǎng)距離的信息傳遞媒介。隨著光纖的價(jià)格進(jìn)一步降低，光纖也被用于醫(yī)療和娛樂(lè)的用途。

       光纖主要分為兩類，漸變光纖與突變光纖。前者的折射率是漸變的，而后者的折射率是突變的。另外還分為單模光纖及多模光纖。近年來(lái)，又有新的光子晶體光纖問(wèn)世。

       光導(dǎo)纖維是雙重構(gòu)造，核心部分是高折射率玻璃，表層部分是低折射率的玻璃或塑料，光在核心部分傳輸，并在表層交界處不斷進(jìn)行全反射，沿“之”字形向前傳輸。這種纖維比頭發(fā)稍粗，這樣細(xì)的纖維要有折射率截然不同的雙重結(jié)構(gòu)分布，是一個(gè)非常驚人的技術(shù)。各國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)多年努力，創(chuàng)造了內(nèi)附著法、MCVD法、VAD法等等，制成了超高純石英玻璃，特制成的光導(dǎo)纖維傳輸光的效率有了非常明顯的提高?，F(xiàn)在較好的光導(dǎo)纖維，其光傳輸損失每公里只有零點(diǎn)二分貝；也就是說(shuō)傳播一公里后只損4.5%。

分類

       1．從結(jié)構(gòu)來(lái)看，光互連可以分為：

       1）芯片內(nèi)的互連；

       2）芯片之間的互連；

       3）電路板之間的互連；

       4） 通信 設(shè)備之間的互連。

　　2．從互連所采用的信道來(lái)看，光互連可以分為：

　　1）自由空間光互連技術(shù)

　　通過(guò)在自由空間中傳播的光束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適用于芯片之間或電路板之間這個(gè)層次上的連接，可以使互連密度接近光的衍射極限，不存在信道對(duì)帶寬的限制，易于實(shí)現(xiàn)重構(gòu)互連。該項(xiàng)技術(shù)是光互連技術(shù)中最具吸引力的。 對(duì)于自由空間光互連技術(shù)，早期的研究主要集中在如何利用技術(shù)構(gòu)成MIN(Multistage Interconnection Network)、Crossbar和Mesh等互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如何在傳統(tǒng)二維平面結(jié)構(gòu)電子插件的三維空間上實(shí)現(xiàn)光通信，而目前的研究已經(jīng)深入到VLSI器件的內(nèi)部。

　　目前發(fā)展最快的多級(jí)光互連交換系統(tǒng)是自由空間光互連交換網(wǎng)絡(luò)。這主要有兩個(gè)方面的原因：

　　1）自由空間光互連交換網(wǎng)絡(luò)除了具有一般的光互連所共有的優(yōu)點(diǎn)外，還具有易于實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)、互連數(shù)大、互連密度高、無(wú)接觸互連等優(yōu)點(diǎn)；

　　2）由于實(shí)現(xiàn)自由空間光互連交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所需要的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)陣列器件和二元微光學(xué)器件的發(fā)展很快，均已接近實(shí)用化。

　　2）波導(dǎo)光互連技術(shù)

　　通過(guò)沿光波導(dǎo)傳播的光束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)的研究進(jìn)展十分迅速，已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，部分商用計(jì)算機(jī)已采用了簡(jiǎn)單的波導(dǎo)光互連技術(shù)，如CrayT90已采用集成光波導(dǎo)H樹(shù)進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)分布。 波導(dǎo)互連可以提供高密度互連通道，適用于芯片內(nèi)或芯片之間這個(gè)層次上的互連，采用集成光源和探測(cè)器，由集成光路來(lái)完成連接，這一種互連目前還不很成熟。

　　3）光纖互連

　　最成熟的光波導(dǎo)是光纖，光纖互連技術(shù)已有商品出售。光纖互連適用于電路板之間或計(jì)算機(jī)之間這個(gè)層次上的連接，借助于光通訊中的有關(guān)先進(jìn)技術(shù)，已進(jìn)行了好幾種互連方案的實(shí)驗(yàn)工作。 光纖互連具有頻帶寬、無(wú)電磁干擾、可高密度并行連接、多信號(hào)和多扇出、傳輸速度快、不需接地等優(yōu)點(diǎn)。光纖的波分光交換技術(shù)在MPP系統(tǒng)的互連網(wǎng)絡(luò)中有自動(dòng)尋徑功能，具有誘人的前景。美國(guó)光纖通道協(xié)會(huì)(FCA：Fiber Channel Association)針對(duì)當(dāng)前光互連技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展，制定了一系列的光纖通信標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)光纖在光纖通信和計(jì)算機(jī)互連中的使用制定了全面的規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定，全面推進(jìn)了光纖光互連技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的使用。

光互連面臨的問(wèn)題

　　1）工藝技術(shù)方面：和金屬互連一樣,隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和新器件和結(jié)構(gòu)的引人,光互連中封裝和散熱是很大的問(wèn)題,特別是基于如和等大的系統(tǒng),封裝和散熱問(wèn)題日益突出,急需解決。另外,對(duì)于自由空間光互連,光路的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題特別突出。雖然有很多的相關(guān)技術(shù)如有源和無(wú)源對(duì)準(zhǔn)、自對(duì)準(zhǔn)等,但都不是很理想。而且,很多的光互連技術(shù)是基于混合集成,光電芯片的單片集成困難很大。因此,光互連仍然需要更加適用和靈活的工藝技術(shù)來(lái)推動(dòng)其實(shí)用化。

　　2）器件和材料方面：光互連中,光發(fā)射器、光傳輸器件、光調(diào)制器、光檢測(cè)器等器件和制造的材料都有待提高和突破。的提出對(duì)光路的集成化很重要。但是它存在模式和偏振的穩(wěn)定性問(wèn)題,而且閡值電流有待降低。是光互連光源有力的候選者,但它也存在響應(yīng)速度慢和聚光效率差等問(wèn)題。此外光檢測(cè)器件的電容大小對(duì)整個(gè)光互連中的功耗影響很大,必須降低該電容。光調(diào)制器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性、開(kāi)啟延遲和工作電壓等也需要改善。

　　3）電路設(shè)計(jì)方面：電路的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化很重要。應(yīng)盡量減小電光和光電的接口電路串?dāng)_、降低功耗和反應(yīng)時(shí)間、提高工藝變化的兼容性,需合理地利用光互連和金屬互連,發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)。另外,像電子器件一樣,光互連器件的模型、模擬軟件和綜合工具的開(kāi)發(fā)和提出很重要。當(dāng)然,根據(jù)光器件的光子密度速率方程,可建立用于模擬的光器件模型,用語(yǔ)言也可對(duì)光電電路進(jìn)行綜合俐。

　　4）成本方面：成本驅(qū)動(dòng)是這一領(lǐng)域技術(shù)更新的最大推動(dòng)力。因此自從光互連一提出,就要求其工藝與現(xiàn)有的工藝相兼容。表面上看是對(duì)工藝的要求,實(shí)質(zhì)上是出于成本的考慮。因?yàn)楣杌?span id="to0v6zd" class="hrefStyle">集成電路很普遍,而且工藝比較成熟,所以,讓光互連的工藝向其靠攏是所當(dāng)然的。為了進(jìn)行高密度的互連,結(jié)合當(dāng)前光互連的發(fā)展水平,目前仍然是將一族的光電器件混合集成在基板上,單片光電集成電路的實(shí)用還在研究階段。

光互連芯片

　　光互連芯片是一種利用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和互連的芯片，它在當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算（HPC）以及人工智能（AI）等領(lǐng)域中扮演著越來(lái)越重要的角色。以下是對(duì)光互連芯片的詳細(xì)介紹：

一、光互連芯片的定義與特點(diǎn)

　　光互連芯片通過(guò)集成光子元件和電子元件，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在芯片內(nèi)部或芯片之間的高速、低延遲傳輸。相比于傳統(tǒng)的電互連方式，光互連芯片具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

　　1、高帶寬：光信號(hào)的傳輸帶寬遠(yuǎn)高于電信號(hào)，能夠滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。

　　2、低延遲：光速遠(yuǎn)快于電子在導(dǎo)線中的傳播速度，因此光互連可以顯著降低信號(hào)傳輸?shù)难舆t。

　　3、低功耗：光互連在傳輸過(guò)程中能量損失較小，有助于降低系統(tǒng)的整體功耗。

　　4、抗干擾性強(qiáng)：光信號(hào)不易受到電磁干擾的影響，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

二、光互連芯片的應(yīng)用場(chǎng)景

　　1、數(shù)據(jù)中心：隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)流量急劇增長(zhǎng)。光互連芯片能夠提供高帶寬、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸能力，滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)高效能計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需求。

　　2、高性能計(jì)算（HPC）：在超級(jí)計(jì)算機(jī)等高性能計(jì)算領(lǐng)域，光互連芯片能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的高速數(shù)據(jù)交換，提升系統(tǒng)的整體計(jì)算性能。

　　3、人工智能（AI）：在人工智能領(lǐng)域，尤其是深度學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理等需要大量計(jì)算資源的場(chǎng)景中，光互連芯片能夠提供快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸支持，加速AI模型的訓(xùn)練和推理過(guò)程。

三、光互連芯片的技術(shù)發(fā)展

　　近年來(lái)，光互連芯片技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。以下是一些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：

　　1、集成化：隨著制造工藝的進(jìn)步，光互連芯片正朝著更高集成度的方向發(fā)展。通過(guò)將光子元件和電子元件集成在同一芯片上，可以實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的光電互連系統(tǒng)。

　　2、硅光子技術(shù)：硅光子技術(shù)是一種將光子元件與硅基集成電路相結(jié)合的技術(shù)。它利用硅材料的光學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的生成、調(diào)制、傳輸和檢測(cè)等功能。硅光子技術(shù)具有成本低、工藝成熟等優(yōu)勢(shì)，是光互連芯片發(fā)展的重要方向之一。

　　3、混合集成技術(shù)：混合集成技術(shù)通過(guò)將不同材料或工藝制成的光子元件和電子元件集成在一起，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。這種技術(shù)有助于克服單一材料或工藝的限制，提高光互連芯片的性能和可靠性。

四、光互連芯片的市場(chǎng)前景

　　隨著數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，光互連芯片的市場(chǎng)需求將持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)，光互連芯片市場(chǎng)將保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，光互連芯片有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　綜上所述，光互連芯片作為一種新型的高速、低延遲、低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，光互連芯片將成為未來(lái)計(jì)算互連領(lǐng)域的重要力量。