英特尔：硅光子的进步可以打破I / O“动力墙”

本文是技术洞察系列的一部分，可从英特尔提供资金。

当我们创建更多内容时，在网络边缘部署更多传感器，并复制更多数据以进行上下文化，对计算带宽的需求每三年大致加倍。随着现代计算架构更接近和更接近连接其处理器，存储和网络组件的电气连接的理论性能限制，跟上越来越困难。

硅光子技术 - 硅集成电路和半导体激光器的组合 - 可能有助于克服电气I / O施加的瓶颈，在电路板和包装水平上用光学填充铜连接。

据詹姆斯·雅士尼（James Jaussi）称，英特尔Phy研究实验室的高级主工工程师和总监，小型化硅光子组件对架构的门打开了更加分散的架构。这看起来像在整个系统中分布的计算，内存和外设功能的池;通过光链路，软件定义的基础架构和高速网络连接长距离连接。

目前，集成的光子学仍然是实验室实验的东西。但在英特尔最近的实验日期间引入的许多突破表明，该技术能够降低功耗，更高的性能，而不是当今的服务器互连。

硅光态技术已经降低了成本并提高了高速光学收发器的可用性。

硅光子组件的小型化打开了移动到板上的门和封装到封装的光学I / O.

如今，硅光子学技术用于数据中心，用于连接可能比较英里的开关。在一端，收发器（能够传输和接收的设备）将电信号转换为光，然后在光纤上发送。在另一端，这些光学信号被改变回电。是什么让电气转换为光学一个值得的努力？简而言之，带宽更高，覆盖范围更大的距离，以及电磁干扰的免疫力。

但传统的光学收发器是昂贵的。它们的发射器和接收器子组件必须仔细构造和气密密封以进行保护，这使得制造商难以跟上需求。和进入收发器的无数组件占用了重要的空间。

硅光源包装许多光学和电子件，用于将收发器构建到高度集成的芯片中。这些芯片通过生产最新CPU，GPU和FPGA的同一台机器制造。它们享受尖端光刻，自动化和规模经济的好处，使它们比他们取代的技术更小，更便宜。

英特尔在2016年介绍了基于半导体激光器的100 GB / S收发器的家庭，在2016年，在展示了来自UC Santa Barbara的研究人员的研究人员展示了这项技术。它很快得分为像Microsoft的Azure Cloud Computing Service等性能敏感的客户获得胜利。从那时起，根据实验室的日期演示，它已经发货了超过400万英镑的模块。

英特尔在缩放光学I / O卷上设置了景点，几个数量级，但进入数十亿个设备。这将在数​​据中心中的机架到机架通信以及向下到电路板级，右侧进入Compute引擎，其中电气I / O当前主导。英特尔称这项研究集成了光子。

如果电气I / O在服务器板和处理包之间工作，为什么要查看硅光子，作为替代品？不幸的是，电互连正在努力保持喂养的资源，并且每一点加速都以不成比例的功耗为本。在视线中有一个墙壁，这是一种吸引光学I / O吸引人的替代品。

虽然硅光态收发器具有优雅的优势，但它们的组件仍然太大，过于昂贵，而且令人发誓，渴望在服务器内取代电气I / O.在实验室日2020年宣布的突破改变了这一点。

Jaussi表示，该公司的综合光子综合系食物中有六种成分：光产生，放大，检测，调制，CMOS接口电路和包装集成。英特尔已经在其组合中具有混合硅激光器，其用于其硅光子学收发器，用于将电信号转换为光。因此，它专注于其他五个构建块。

在基本发射器中，激光器会产生由调制器编码数据的光。现有的硅调制器很大，因此在集成光子的背景下昂贵。在实验室日宣布的新微环调制器将该组件的占空比缩小超过1000倍。由调制器上方的电路提供的电压无论是缠绕在环中的光还是允许它在其波导下行驶。

另一端的探测器将光的缺失或存在解释为零和那些。现有硅光子学光学收发器中的光电二极管依赖于锗或磷化铟的材料，以“参见用于移动数据的波长的光。硅，思想，在该范围内没有光的检测能力。 Intel另有说明，通过使用其全硅微环结构作为光电探测器以112 Gb / s操作。 “这一发展的主要优势是加工和物质成本减少，”Jaussi说。

通过从一个激光器捕获多个波长（或颜色），Intel将带宽乘以每个光纤的带宽。该技术称为波分复用。在他的实验室日演示中，Jaussi显示了四个微环从单个光通道捕获四个单独的波长，以传达四位数据。在硅光子学研究的早期，这将采取四个不同的激光器，加上多路复用器。用一个人这样做是一个关键在于在包装I / O这样的空间受限的应用程序中足够快地移动数据，在那里没有彼此旁边的大量激光射击空间。

添加半导体光放大器有助于优化用于功耗的集成光子系统，因为放大器比激光更有效地提供光功率。这些放大器由与多波长激光相同的材料制成 - 在体积上制造的重要考虑因素。

作为英特尔实验室示范的一部分，英特尔实验室的主要工程师海士荣，展示了具有混合硅激光器，微环调制器，光放大器和微环光电探测器的光子IC，并在高处体积cmos fab。他加入了主要工程师Ganesh Balamurugan，他描述了负责驾驶和控制英特尔的微环调制器的电气IC。堆叠两个IC，一个在另一个上，并与铜柱连接。

“这是我们如何使用3D包装用硅光子电容紧密集成节能CMOS电路的一个例子，”巴拉姆鲁杜邦说。 “这种协整是提供性能和成本优化的光收发器的关键。”

通过使用计算资源集成硅光态构建块，英特尔认为它可以打破具有更多I / O引脚的较大处理器的当前趋势，这是满足增长的带宽要求。硅光子学使得可以实现较低的功耗，计算元件之间的吞吐量更大，并且减少引脚计数，占较小的占地面积。

该公司已经展示了具有硅光子型发动机的高性能以太网交换机硅，旨在解决两个开关世代内电气I / O缩放限制所带来的功率和成本/复杂性问题。

在我们看到服务器内部的集成光子学之前，它将更长的时间 - 英特尔承认该技术尚未获得产品实现路径。然而，随着时间的推移，公司希望将其硅光子平台缩放到每纤维的1pj，每位能量的1pj，达到1公里的距离。通过电气I / O面向即将到来的动力墙和硅光子，已经是英特尔网络目录的成功组成部分，这是一项技术，您需要留意。