硅光子技术全面普及：体验硅发光技术的进展（一）

关于在硅晶圆上实现光传输的“硅光子”技术，其实用化和研发的推进速度都超过了预期。其中，日本的进展尤其显著。日本在高密度集成技术和调制器等的小型化方面世界领先，在CMOS兼容发光技术和光子结晶的开发方面的成果也震撼全球。硅光子技术的应用范围有望从目前的主要用途——电路板间的数据传输扩大到芯片间和芯片内的传输。预计这方面的应用将在2020年前后实现实用化。

　　“硅光子”已经进入全面普及阶段。利用该技术，各种光传输元件的大部分都可以通过CMOS技术集成到硅芯片上注1）。

　　注1）目前只有光源还需利用化合物半导体激光元件。

　　硅光子技术目前的主要用途是嵌在有源光缆（Active Optical Cable，AOC）*中的光收发器IC（图1）。AOC在超级计算机、数据中心以及通信运营商的传输装置领域的应用迅速扩大，是用于板卡和设备高速连接的光缆。

　　图1：光传输的应用范围将从板卡间扩大到芯片间，再到芯片内

　　本图为最近和不久的将来的光传输导入领域。名为AOC（有源光缆）的服务器板卡间通信技术大部分都是利用硅光子技术的光传输。预计今后芯片间传输、CPU 内核间以及CPU内核内的全局布线等也将利用光传输。（摄影：（a）为美高森美公司（原卓联半导体），（b）为Luxtera公司，（c）为阿尔特拉）

　　*AOC（Active Optical Cable）＝带光收发器模块的光缆。由于耐久性和可靠性高，在2008年前后，这种光缆在高性能计算机市场上的需求开始扩大。调查公司Global Information发布的数据显示，2011年AOC的全球销量为30.5万根，销售额为7000万美元。该公司预测，2016年的销量将达到 78.6万根，销售额将扩大到1.75亿美元。

　　硅光子之所以能在AOC用光收发器领域取得这样的成绩，是因为可以通过量产大幅降低成本，这与采用CMOS技术的半导体产品一样。而以前的AOC采用的是基于化合物半导体的分立元件，价格较高。

　　以风险公司为中心的市场将发生变化 开拓该用途的是美国加州理工学院成立的风险企业Luxtera，以及同为风险企业的Kotura公司。2008年前后开始量产的Luxtera于 2012年2月宣布，“已售出100万个单位通道传输容量为10Gbit/秒的光IC”。Kotura也于2013年2月宣布，“光IC的销量较上年翻了一番、相当于6万通道/月”。从这些出货量数据来看，这两家公司的产品占了AOC市场的相当大一部分注2）。

　　注2） Luxtera与飞思卡尔半导体和意法半导体开展合作，Kotura与甲骨文等企业在技术开发和制造方面开展合作。

　　不过，该市场将迎来巨大的变化。因为思科系统和英特尔等企业相继涉足该市场。在今后将形成市场的100Gbit/秒传输容量的AOC中，预计硅光子将掌握主导权。

　　思科的动作非常迅速。该公司2012年2月斥资2.71亿美元收购了风险企业Lightwire，同年10月发布了基于硅光子技术的、支持 100Gbit/秒的光收发器规格“Cisco CPAK”，2013年3月发布了安装有该规格光收发器模块的传输装置。

　　英特尔也于2013年1月发布了采用硅光子技术的AOC，该产品支持脸书主导的数据中心行业标准“Open Compute Project”。

　　芯片间光传输大势所趋

　　预计硅光子市场今后还将日益扩大。肩负AOC“未来”的市场已经初现端倪。AOC主要用于“电路板间”的大容量数据传输，而今后，电路板上的微处理器之间以及微处理器与存储器之间等“芯片间”用途将实用化。IBM和英特尔现在正在推进开发，目标是将其用于2020年前后的超级计算机和服务器。

　　图2：光传输和电传输的低耗电量化以1cm为分界

　　如果传输距离在1cm以上，目前的光传输技术的耗电量小于电传输。光传输的耗电量主要是光收发器的电光转换以及光电转换消耗的。最近大幅减小了光收发器的尺寸，因此耗电量也减小了。

　　光传输的应用始于长距离通信，之后其用途扩大到了短距离通信，取代了电传输。在这一点上，采用硅光子的光传输也是一样。预计将来微处理器内部的“CPU内核间”的数据传输也必须要利用硅光子技术。

　　最近，硅光子技术在芯片间的应用有了眉目，这主要是因为，利用硅光子制作的光收发器的耗电量降低了。一般来说，电传输是距离越短，所需的电力越少，而光传输即使距离缩短，电力也不会降低太多。因此，二者以耗电量相同的传输距离为分界点区分使用。最近，利用硅光子的光传输和电传输在传输距离为 1cm时的耗电量基本相同，因此，在比以前短很多的距离间也有望利用光传输（图2）。

　　比如，2013年3月IBM利用硅光子技术开发出了耗电量为1pJ/bit的光收发器IC。预计电传输的最低耗电量在传输距离为1cm时约为150fJ（0.15pJ）/bit（图3）1）。虽然还有好几倍的差距，但如果只限于光传输的各项功能，耗电量比IBM的试制品小2、3位数的技术也已开发出来。

　　图3：在不远的将来，微处理器内核间的传输必然要采用光传输

　　本图为微处理器的CPU内核间传输等的电传输技术和光传输技术的耗电量。今后的高性能微处理器光凭电传输将无法实现耗电量的要求条件。而在距离为1cm的传输中，光传输的耗电量与电传输基本相同。还出现了各部件的耗电量比电气方式大幅降低的例子。（摄影：IBM）

　　在用途方面对硅光子光传输的期待也越来越高。随着以提高微处理器速度为目的的多核化和众核化的推进，必须要大幅增加内存带宽和CPU内核间的数据传输容量。但多核化会导致CPU内核间的传输距离增长。而且，传输容量必须扩大到与内核内的全局布线相当的程度。对电传输而言，条件越来越苛刻。而对于正处于发展期的硅光子光传输，今后其耗电量还需要大幅降低。