全球首款光子芯片亮相：每平方毫米傳輸速度300Gbps

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全球首款光子芯片亮相：每平方毫米傳輸速度300Gbps

近日，美國三所大學的研究人員開發出一款光子芯片，它可以用光來傳輸數據，速度比過去的芯片大幅提升，能耗也大大減少。研究者宣稱這是第一款成熟的、用光傳輸數據的處理器。芯片每平方毫米處理數據的速度達到300Gbps，比現有的標準處理器快10倍甚至50倍。研究人員用7000萬個晶體管和850個光子元件(用來發送和接收光)組成2個處理器內核，整個芯片只有3 X 6毫米大。

在20世紀40年代時，電腦和房間一樣大，今天的電腦與那時的電腦已經有了很大的不同，但它們傳輸數據的方式是一樣的，都是在金屬線中傳遞電子信號。英特爾和IBM等芯片企業都已經在研究硅光子(Silicon Photonics)，但至今無法真正用在商業上。美國科羅拉多大學Berkeley校區、麻省理工學院、科羅拉多大學Boulder校區的研究人員開發出第一款光子芯片是重大的突破，他們預測最早到2017年就可以測試商用版本的光處理器。

在今天的電腦和智能手機中，電信號在金屬線中傳輸，它將處理器、內存、網絡、存儲設備、USB接口等連接起來。在國家與國家之間則用光纖連接。光纖可以傳輸海量數據，但它的造價太貴。

美國大學的研究人員希望能改變這一切，他們將電子組件直接安裝在芯片中，并用來傳送和接受光信號。他們的研究成果刊發在周二的《自然》雜志上。芯片制造設備和硅元件都可以用這種方法生產，如此一來，光芯片就可以輕易普及到計算基礎設施之中。

研究人員已經在室驗室制作出原型產品，如果產品可以走向市場，消費者將大大受益。數據中心內安裝成千上萬的服務器，硅光子技術可以提升運算速度;在個人電腦和智能手機上，硅光子可以打破性能瓶頸，同時又不犧牲電池續航時間。今天的計算產業普遍面臨一個問題：無法讓芯片運算得更快，硅光子卻沒有這樣的困擾，它不需要芯片運算得更快。相反，研究人員會讓硅芯片一直輸送數據且不會閑置，從而有效提升整體性能。

負責芯片開發的副教授Vladimir Stojanovic說，開發出第一款能在外部世界通信的光芯片是重大突破，至于商業化，最大的挑戰在于找到廉價的方法封裝芯片。他認為，出于成本考慮，光芯片技術最先會用在數據中心中，然后才能進入到小設備。Stojanovic還說：“我們預計封裝芯片最先會進入數據中心，然后它會變得足夠便宜，最終在手機和PC中普及。”

研究人員的構想并非是純粹的創意，已經有兩家創業公司參與到光芯片的商業化運動之中。一家是Ayar Labs，它希望將光子互連技術商品化，還有一家是SiFive，它們希望在免費的RISC-V芯片設計方案上建立新業務。

在不久的將來，Stojanovic預計光子將可以連接電腦內的獨立芯片，將一顆芯片與另一顆芯片相連。除此之外，硅光子技術還可以改進激光雷達的性能，無人駕駛汽車的激光傳感器、腦顯像和環境傳感器的性能都會大大提升。

硅光子有望重新改寫歷史，徹底改變電腦組合的方式。電信號傳輸受到了線纜長度的制約，例如，當標準USB連接的傳輸速度提高10倍時，最大線纜長度從16英尺降到了10英氣。光連接卻不會出現這樣的問題，它的速度更快，信號不會衰減，美國大學展示的原型芯片是用10米的光連接的，它可以輕易擴展到千米。

有了硅光子芯片，數據中心的電腦不必浪費時間等待另一臺電腦的響應。Stojanovic說：“我們的光解決方案可以讓處理器更快接入網絡。”

電信號通過金屬線傳輸，光連接只需要小小的能量就行了，芯片自己就能供應能量，這樣可以節省電的成本，也不會存在電子元件過熱的問題。

原型芯片是用不常見的材料制作的，它將硅和鍺結合，制造過程很困難，成本也很高。但最近一段時間，研究人員取得了進步，他們改良了硅光子技術，在芯片中使用了更多的硅材料。