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科学|再见，电芯片！Hello，光子芯片！


北京联盟_本文原题：再见 ， 电芯片！Hello ， 光子芯片！
人类文明的进步 ， 与“光”的使用密不可分 。 19世纪晚期 ， 英国物理学家丁达尔向人们揭示了光的全反射原理 ， 这也解释了光为何能在弯曲的水流或玻璃棒里向前传播 。 自此 ， 人们就开始了对光传输介质的探寻 。
上世纪中叶 ， 高锟发表名为《光频率介质纤维表面波导》的论文 。 他创造性的提出 ， 使用基于石英的玻璃纤维作为光传输介质 ， 可以进行长距离的信息传输 。 由此 ， 光纤逐渐登上历史舞台 。 和电缆相比 ， 光纤在性能、可靠性、安全性等很多方面都有极大的提升 ， 这也使得光纤成为了现代文明主要的通信介质之一 ， 并引发了一系列通信行业的根本性变革 。
在半导体领域 ， 当前芯片间的主要互联方式还是基于电气连接 。 随着距离的增加 ， 数据传输带宽会急剧下降 ， 而由此带来的能耗则会大幅上升 。 下图就展示了芯片内部、芯片与电路板、电路板之间等不同维度下 ， 数据传输带来的带宽损失与能耗增长 。 可以看到 ，即使在板级通信时采用光缆传输 ， 相比芯片内部的传输速度和能效仍然下降了4个数量级 。

科学|再见，电芯片！Hello，光子芯片！
本文插图

为了解决这个问题 ， 业界已经开始探寻能否在芯片互联时使用光传输代替电传输 ， 从而极大提升数据带宽、减少传输能耗、并延长数据传输的距离 。 在这其中 ， 硅光子芯片技术正在获得越来越多的关注 。
近日 ， 一家名为Ayar Labs的初创公司展示了一款名为TeraPHY的光学收发器 。这个光学收发器以芯粒（chiplet）的形式集成在英特尔Stratix10 FPGA上 ， 可以达到2Tbps的数据带宽 ， 传输距离最高可达2公里 ， 而传输功耗则不超过每比特1pJ（10的-12次方） 。
动图 ， 左侧是两个光子芯粒 ， 中间是Stratix10
相比之下 ， 目前FPGA使用的PAM4收发器速率最高为58Gbps ， NRZ收发器最高速率为30Gbps ， 而当前电气收发器的路线图也只不过安排到了112Gbps 。 也就是说 ， 这种光学收发器至少可以取得近20倍的性能提升 ， 传输距离和功耗更不可同日而语 ， 而这也将FPGA收发器的性能带到了一个全新的高度 。
【科学|再见，电芯片！Hello，光子芯片！】
Ayar Labs与光子芯片
Ayar Labs成立于2015年 ， 总部位于美国加州 。 它是MIT的孵化企业 ， 创始团队大都来自MIT、UC Berkeley等美国顶尖高校 。Ayar Labs先后获得了英特尔资本、格罗方德（GlobalFoundries）以及洛克希德马丁等公司的数千万美元战略投资 。
Ayar Labs专攻的主要领域就是芯片级的光子传输 ， 前文提到的TeraPHY就是该公司目前的主打产品 。 TeraPHY的研发主要得到了美国国防高级研究计划局（DARPA）的项目支持 。
在2019年的HotChips大会上 ， Ayar Labs正式推出了TeraPHY ， 并在前不久正式对这个光学收发器的性能进行了在线演示 。 在接下来的文章中 ， 我将详细介绍TeraPHY的技术细节 ， 特别是它的光学数据传输方式 ， 以及它是如何与FPGA进行异构集成的 。

科学|再见，电芯片！Hello，光子芯片！
本文插图

Ayar Labs在2019年HotChips大会的讲稿幻灯片 ， 已上传至知识星球“老石谈芯-进阶版” ， 请在文末扫码进入星球查看 。
TeraPHY：光电转换的奥秘
光学收发器TeraPHY最重要的技术创新 ， 在于它解决了光信号的“调制”和“解调”两个主要问题 。 这其中具体的物理学细节在本文不再赘述 ， 下一段中 ， 我尝试简单介绍其中的主要原理 ， 不感兴趣的同学可以直接略过这部分 。
简言之 ， 它利用了类似于定向耦合器的原理 ， 当两个光传输介质足够靠近时 ， 其中一个介质里的能量就能耦合到另一个 。 此时如果在一个介质上加入电场 ， 就可以改变光在这个介质中的传播速度 ， 从而控制光波的相位 。 通过这个过程 ， 电信号的变化就转变成了光信号的变化 。 之后当两个介质里的光再次耦合时 ， 由于光波的干涉原理 ， 就会产生不同振幅 。 如果把波峰看成1 ， 波谷看成0 ， 那光波的不同振幅就可以解码成由0和1组成的数字信号 ， 也就完成了光到电的转换 。 这个过程就是著名的马赫-曾德尔干涉仪的工作原理 。


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