硅基光电子竟是数据互联的一大爆发点？

GlobalFoundries的资深研究员Ted Letavic表示，"互联网数据在今天需要海量的带宽。例如，在2020年仅仅是移动互联网就能每个月产生30.6 EB （1EB＝10^6 TB）的数据。" Letavic相信，硅基光电子会对数据中心的架构产生深远影响。与目前的巨型数据中心相对，未来可能会产生分布式的小型数据中心，而数据中心之间使用光互联来传输数据。随着数据互联对于带宽需求的提升，光互联将会慢慢取代铜绞线互联。例如，在5G时代，从数据中心到小型基站间需要高速连接。到终端节点的连接数据率就需要1Gb／s，而连接基站和数据中心的互联更需要16-25Gb／s的数据率。

GlobalFoundries并不是唯一看好光电子的业界巨头。HP，Intel和Juniper都在积极推进光电子的应用，而Cisco也在光电子市场投入了巨大资本。据Intel估算，大数据中心里面专用的核心光电元器件每年大概有50%的复合增长率，估计到2020年，市场规模可以高达50亿美金。这就让光电子产业成为半导体元器件领域增长最快的市场之一。

光电子技术在芯片间通信的应用

除了解决未来数据中心长距离数据传输的带宽需求，光电子还可以实现短距离芯片内／间数据传输。随着数据处理的需求越来越大，对芯片内／间信号传输的速度的要求也越来越高。在数据传输能力上，光信号拥有远超电信号的高带宽。而在先进制程，金属连线变细，金属层间通孔变小，这都会导致传统的芯片铜互联RC延迟越来越大而无法满足大数据的需求，继续提高带宽变得越来越困难且会消耗很大功耗。同时云计算产业却对数据交换能力提出了更高的要求：数据中心、超级计算机通常会安装数以千计的高性能处理器，可这些芯片的协同运算能力却受到芯片互联带宽的严重制约。在使用传统铜互连的今天，一颗Intel Xeon CPU从与自己直接连接的内存中读取数据的带宽高达每秒40G字节，但如果是从另一颗Xeon芯片控制的内存中读入资料，带宽就会下降一半甚至三分之二。

Arteris市场部副总裁Kurt Shuler表示，"在未来的网络通信应用中，需要一种能提供高带宽低延迟的技术来取代目前的SerDes。在一些细分市场，光电子通信非常合适。一个例子就是芯片间通信。目前CCIX标准使用传统PCIe PHY，而在未来使用光电子通信将是更有效率的解决方案。"Shuler同时认为，目前最大的芯片间通信瓶颈在于SoC与DRAM之间的通信。"目前业界在尝试用HBM和HMC内存接口标准规避SoC－DRAM之间通信的问题，然而这并没有改变DRAM本身速度较慢的事实。能不能使用速度较快的SRAM呢？我们可以为高性能计算应用设计一块容量很大的SRAM，然后在处理好一致性问题的前提下让多块处理器访问这块SRAM。"光电子通信可以高效地处理多处理器的内存访问的数据流，提供高带宽和低延迟，而且功耗很小。

(图源：MIT Integrated Systems Group)

光电子技术目前的需要克服的难点

目前光电子技术需要克服的难点主要是集成问题。由于硅材料无法形成激光，主流光电子光源使用的制造工艺是砷化镓GaAs，砷化铟InAs以及镓铟砷InGaAs等，而这些材料如何与CMOS等传统硅工艺集成在一起是目前最紧要的课题。光源输出的光需要耦合到硅基波导中，这一过程对操作精度要求很高. 而且,硅光技术需要集成的光模块至少包括激光器、调制器、波导、耦合器和光电二极管五大部分(在处理高速数据时还需要SerDes中的MUX和DEMUX)。集成时任何一部分出现问题都会导致整体报废。除此之外，还需要处理波导边墙光滑度问题以及波导和光器件的工艺偏差。最后，还需要改善光源的可靠性问题：目前的光源失效时间是2100小时，而大规模商用需要做到4000小时以上。一旦集成良率的问题被解决,硅光电子技术的商用化将会前进一大步.

从产业链角度看，工艺平台也是硅基光电子的一大限制。虽然硅光电子和传统半导体集成电路工艺有接近的地方,目前多数厂商研发过程中都在借用CMOS的平台，但实际上硅光子很多的一些加工步骤跟CMOS是有区别的，特别是在混合集成之后。硅光子产品若要真正的实现高性能，就必须借助专门的生产线。其中的资本投入也会成为限制硅光电子发展的因素.

市场前景预期

根据市场研究机构Yole 的数据，2015年全球硅光元件的市场规模还只有区区4000万美元，且拥有相关产品的公司不过Cisco, Intel, STMicroelectronics等寥寥几家。但到了2025年，预计硅光器件的市场规模将快速增长至15亿美元，2015至2025年均复合增长率高达45%，其中近90%用于数据中心。如前所述，微软、亚马逊和Facebook等互联网巨头之所以一直在大力推动该技术的发展，就是因为其