如果你認為當今時代正處于技術(shù)革命的風口浪尖，那么請回想一下20世紀80年代中期，那時硅片使用的是微米級晶體管，光纖系統(tǒng)在世界各地以每秒鐘數(shù)萬億比特的速度傳送數(shù)據(jù)。

綜合硅數(shù)字邏輯、光電子學以及光纖通信技術(shù)的潛力，一切似乎皆有可能。

按照當時工程師們的設(shè)想，這些技術(shù)將持續(xù)發(fā)展和融合，直到光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，并最終取代電子技術(shù)。光子技術(shù)不僅可以實現(xiàn)跨國數(shù)據(jù)傳輸，還可以在數(shù)據(jù)中心之間甚至是計算機之間傳輸數(shù)據(jù)。工程師們認為，通過光纖可以在芯片間傳輸數(shù)據(jù)，甚至設(shè)想出了光子芯片：很多人都期待將來有一天極速邏輯芯片可以利用光子而非電子。

但是，這樣的設(shè)想并未實現(xiàn)。企業(yè)和政府曾投入億萬美元用于研究新型光器件和系統(tǒng)，利用光纖將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部計算機服務(wù)器的機架連接起來。誠然，很多現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的機架都利用這些光設(shè)備進行連接。然而光子技術(shù)也就到此為止了。在機架內(nèi)部，單個服務(wù)器板仍然使用廉價的銅纜和高速電子器件相互連接。當然，在電路板上，連接處理器的都是金屬導(dǎo)線。

將光子技術(shù)推向服務(wù)器本身、用光纖直接連接處理器的嘗試，因經(jīng)濟原因觸礁而失敗了。根據(jù)市場調(diào)研公司光計數(shù)公司（Light Counting）的調(diào)查，以太網(wǎng)光收發(fā)設(shè)備市場規(guī)模已達到年均40億美元，到2020年這個市場將擴大到近45億美元和5000萬套器件，這不可否認。但是時至今日，光子技術(shù)仍未解決數(shù)據(jù)中心計算機機架與處理器芯片間最后幾米的問題。

不過，光子技術(shù)的巨大潛力意味著仍有希望。雖然技術(shù)挑戰(zhàn)仍十分巨大，但數(shù)據(jù)中心設(shè)計的新思路為大數(shù)據(jù)時代的光子技術(shù)革命提供了一條看似可行的道路。

在當今的數(shù)字化世界中，無論是上網(wǎng)、觀看網(wǎng)絡(luò)電視，還是做任何其他事情，人們所使用的數(shù)據(jù)流都會經(jīng)過光電收發(fā)器。光電收發(fā)器的作用是實現(xiàn)光電信號的相互轉(zhuǎn)換。在各大云服務(wù)提供商及社交媒體公司的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，這些收發(fā)器就位于用于在數(shù)據(jù)中心之間傳輸數(shù)據(jù)的光纖的端點處。收發(fā)器與每個服務(wù)器機架頂部的交換設(shè)備相連接，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸?shù)皆摍C架中的服務(wù)器組。收發(fā)器也會將來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光信號并傳輸?shù)狡渌麢C架，或者通過網(wǎng)絡(luò)交換機上傳到互聯(lián)網(wǎng)。

每個光電收發(fā)器包括3種主要部件：包含一個或多個光調(diào)制器的發(fā)送裝置；包含一個或多個光電二極管的接收裝置；以及進行數(shù)據(jù)編解碼的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯芯片。由于普通的硅不適于發(fā)光，因此光子來源于從硅芯片分離出來的激光器（不過激光器可以與硅芯片封裝在一起）。這樣，就可以不再通過開關(guān)激光器來表示比特，而是激光器保持開啟狀態(tài)，通過光調(diào)制器將電子比特編碼到激光中。

光調(diào)制器是發(fā)送裝置的核心，種類頗多。有一種特別小巧的調(diào)制器，被稱為馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）調(diào)制器。這種調(diào)制器通過一根狹窄的硅波導(dǎo)管傳輸激光。波導(dǎo)管一分為二，在幾毫米之后又合二為一。一般來說，這樣的分流與合流不會影響光輸出，因為波導(dǎo)的兩個分支是等長的。當分支合二為一時，兩束光波的相位依然相同。但是，在某一分支上施加電壓會改變其折射率，從而有效降低或提高光波傳輸速度。這樣一來，當兩束光波再次相遇時，彼此產(chǎn)生相消干擾，從而抑制信號。因此，改變某一分支的電壓，實際上就是在利用電信號調(diào)制光信號。

接收裝置的構(gòu)造就簡單多了，包括一個光電二極管還有一些支持電路。光信號經(jīng)由光纖傳輸?shù)竭_接收裝置的鍺二極管或硅鍺二極管，二極管在每一個光脈沖的作用下產(chǎn)生電壓。

發(fā)送裝置和接收裝置均設(shè)有電路，通過電路進行信號放大、數(shù)據(jù)包處理、糾錯，執(zhí)行緩存及其他任務(wù)，使光纖符合千兆以太網(wǎng)的標準。這些裝置與光元件是否位于同一芯片或同一封裝中，隨供應(yīng)商的不同而有所不同。但是大多數(shù)電子邏輯與光元件是分離的。

隨著硅集成電路上光學元件的應(yīng)用逐漸增加，也許你會認為將光技術(shù)與處理器芯片直接結(jié)合是必然趨勢。確實，有一段時間的確看似如此。

但事實上，人們完全輕視乃至忽略了一個事實：電子邏輯芯片的最小特征尺寸縮小的速度，與光子技術(shù)與其保持同步的能力之間，存在越來越大的差距。如今晶體管的特征尺寸僅為幾納米。利用7納米CMOS技術(shù)，在芯片上1平方微米的區(qū)域可集成100多個通用邏輯晶體管，這還不包括晶體管上迷宮般復(fù)雜的銅連接線。在每個芯片上，除了數(shù)幾十億個晶體管，還需要十幾層金屬連線將這些晶體管連接起來，形成寄存器、放大器、算術(shù)邏輯單元，以及構(gòu)成處理器核心和其他重要電路的復(fù)雜單元。

問題是，一個標準光組件，比如調(diào)制器，其尺寸不得小于所傳輸光的波長，這將尺寸限制在約1微米寬。摩爾定律無法解決這個問題，越來越先進的光刻技術(shù)也無能為力。這僅僅是因為電子非?！笆荨保ㄩL僅為幾納米，而光子相對較“胖”。

既然如此，芯片制造商就不能干脆集成調(diào)制器，減少晶體管數(shù)量嗎？畢竟現(xiàn)在芯片上有數(shù)十億個晶體管。答案是：不可以。硅電子芯片每平方微米的面積承載著龐大的系統(tǒng)功能，即便僅用較低功能的元件（比如光元件）來替換少量的晶體管，造價也會十分昂貴。

具體計算方式是這樣的。假如每平方微米的芯片上平均有100個晶體管，一個光調(diào)制器所占的面積為10微米×10微米，那么它取代的將是包含1萬個晶體管的電路！還記得吧，一個標準的光調(diào)制器只是一個簡單的開關(guān)裝置，負責開啟或關(guān)閉光束，而每個晶體管都可以作為開關(guān)來開關(guān)電流。因此粗略估算，光子元件與電子元件相比，這一基礎(chǔ)開關(guān)功能的機會成本是10000:1，因為相對于前者的一個光調(diào)制器，系統(tǒng)設(shè)計人員在面對后者時至少有1萬個電子開關(guān)可以選擇。即使調(diào)制器與處理器直接集成可以改善性能和效率，也沒有芯片制造商會接受如此高昂的成本。

用光子元件替換芯片上的電子元件還存在其他障礙，比如，光子元件并不能夠提供芯片所需的某些關(guān)鍵功能（比如存儲）。結(jié)論是光子元件與基本計算機芯片功能不兼容。即使不是這樣，用光子代替發(fā)揮同等功能的電子也毫無意義。

這并不是說光子技術(shù)無法進一步接近處理器、存儲器以及其他重要芯片。目前，裝有光收發(fā)模塊的架頂（TOR）交換機正在引起數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)技術(shù)市場的關(guān)注，架頂交換機裝在2米高的機架頂部，機架內(nèi)有服務(wù)器芯片、存儲器和其他設(shè)備資源。光纖通過單獨的交換層與其他TOR交換機相互連接。這些交換機再與另外一組數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關(guān)交換機相連，接到互聯(lián)網(wǎng)。

通過嵌有收發(fā)模塊的典型TOR面板可了解其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。每個TOR交換機連接一個收發(fā)模塊，每個收發(fā)模塊與兩條光纖相連（一條用于發(fā)送，一條用于接收）。每個45毫米高的TOR面板上可以嵌入32個模塊，每個模塊每個方向的數(shù)據(jù)傳輸速度可達每秒40千兆比特。這樣，兩個機架之間的數(shù)據(jù)傳輸速度就可達每秒2.56太比特。

但是機架內(nèi)部以及服務(wù)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流傳輸依舊使用銅線。很遺憾，這成為建立更快、更節(jié)能系統(tǒng)的一個障礙。采用光子技術(shù)方案解決服務(wù)器或是處理器連接的最后一米（或兩米）問題，可能是開發(fā)大規(guī)模光器件市場的最佳機遇。但是在此之前，還需要攻克價格和性能方面的一些難題。

光纖接入處理器（fiber to the processor）方案并不新奇。過去有很多嘗試，在成本、可靠性、功率以及帶寬密度等方面留下了不少經(jīng)驗教訓(xùn)。例如，大約15年前，我曾參與設(shè)計建造一臺試驗性寬帶收發(fā)器。試驗希望將12根光纖寬的平行光纖條帶連接入處理器。每根光纖都傳輸數(shù)字信號，信號分別由4個垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）產(chǎn)生。這種激光器是一種由芯片表面發(fā)射激光的二極管，激光產(chǎn)生密度比邊發(fā)射激光器（edge-emitting lasers）更大。4個垂直腔面發(fā)射激光器通過開關(guān)光輸出對信息進行編碼，并且它們在同一條光纖中以不同的波長進行傳輸，這種粗波分復(fù)用技術(shù)可使光纖的容量翻兩番。因此，每個垂直腔面發(fā)射激光器的數(shù)據(jù)傳輸速度可達到每秒25千兆比特，系統(tǒng)總帶寬可達到每秒1.2太比特。根據(jù)目前的工業(yè)標準，12根光纖并排排列，相鄰兩根光纖的間隙寬為0.25毫米，因此帶寬密度約為0.4太比特/秒/毫米。也就是說，1毫米寬的光纖100秒內(nèi)可以處理美國國會圖書館網(wǎng)絡(luò)檔案小組一個月所存儲的信息。

目前光纖接入處理器應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速度比這還要高，但是這已經(jīng)是一個很好的開端。那么為何這項技術(shù)當時沒有得到應(yīng)用呢？部分原因是制造的系統(tǒng)既不可靠又不可行。那時還很難制造出收發(fā)器所需的48個垂直腔面激光器，也很難保證收發(fā)器在使用壽命期內(nèi)不出現(xiàn)故障。事實上，一個重要教訓(xùn)就是，設(shè)計配用多臺調(diào)制器的單個激光器要比48個激光器更可靠。

而如今，垂直腔面發(fā)射激光器的性能已有所改善，基于這項技術(shù)的收發(fā)器能夠有效提供適合數(shù)據(jù)中心的短距離解決方案。此外，可以用多芯光纖代替光纖條帶。多芯光纖可將等量的數(shù)據(jù)分流到主光纖內(nèi)嵌的多根光纖芯中。最近的另一項進展是發(fā)布更復(fù)雜的數(shù)字傳輸標準，如PAM4通過四級光強度而不是兩級光強度對信息進行編碼，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。還有一些科研項目（例如麻省理工學院的Shine項目）正在努力提升光纖接入處理器示范系統(tǒng)的帶寬密度，使之達到我們15年前獲得的數(shù)值的17倍。

但是這些進展加起來仍不足以使光技術(shù)在處理器上的應(yīng)用更進一步。不過我認為，隨著日漸興起的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)改造，這一步遲早會實現(xiàn)。

目前，數(shù)據(jù)中心機架中的刀片服務(wù)器中有處理器、內(nèi)存以及存儲器。其實不必如此，內(nèi)存可不與服務(wù)器芯片放在一起，而是單獨放在一個機架上，甚至放在不同的機架上。人們認為機柜架構(gòu)（RSA）能夠更有效地使用計算機資源，使硬件管理和更換的任務(wù)得到簡化，尤其適用于臉書這樣的大型社交媒體公司，在這類公司中，特殊應(yīng)用所需的計算量和內(nèi)存會隨著時間的推移不斷增長。

為何這一架構(gòu)可幫助光子技術(shù)取得突破呢？因為新一代高效、廉價、速度可達每秒太比特的光開關(guān)技術(shù)剛好可以實現(xiàn)那種動態(tài)資源配置和可重構(gòu)性。

這種數(shù)據(jù)中心重建方式的主要障礙是器件的價格以及生產(chǎn)成本。硅光子技術(shù)已經(jīng)具備一項成本優(yōu)勢，即可利用現(xiàn)成的芯片生產(chǎn)線，利用硅的龐大基礎(chǔ)設(shè)施及可靠性。但硅與光的結(jié)合并非完美：硅發(fā)射光的效率低，硅的光損耗也很嚴重。通過對光輸入和輸出進行測量，一個標準的硅光子收發(fā)器至少會產(chǎn)生10分貝（90%）的光損耗。但這種低效率并不影響TOR交換機之間的短距離連接，因為至少在目前，硅潛在的低成本優(yōu)勢勝過了存在的問題。

硅光模塊的一項主要成本源自不起眼卻又十分重要的光連接器。光連接不僅包括光纖與接送裝置芯片之間的連接，還包括光纖之間的連接。每年必須生產(chǎn)數(shù)億個極高精度的光纖連接器才能滿足需求。具體精度有多高呢？用于光連接器的單模硅玻璃纖維直徑為125微米，略大于一根頭發(fā)的直徑。而連接器中這種單模光纖必須達到的精確度是100納米，僅為一根頭發(fā)直徑的1/1000，否則信號就會被大大削弱。光纖之間以及光纖與收發(fā)器之間光連接器的生產(chǎn)方式仍需進一步創(chuàng)新，以滿足客戶對精確度與低成本的需求。但是，幾乎沒有生產(chǎn)技術(shù)能夠滿足這種物美價廉的需求。

降低成本的方式之一當然是降低光學模塊中芯片的價格。生產(chǎn)芯片的方法有許多種，一種稱為硅片集成（wafer-scale lntegration）的技術(shù)有助于降低成本。硅片集成技術(shù)是在一個硅片上制造光子，在另一個硅片上制造電子，然后將兩個硅片粘在一起。隨后，將成對的硅片切成芯片，再制造成幾乎完整的模塊。（由非硅半導(dǎo)體制作的激光器保持單獨放置。）這個方法可以做到組裝與生產(chǎn)并行，從而降低成本。

降低成本的另一個因素當然是生產(chǎn)規(guī)模。假設(shè)光千兆以太網(wǎng)市場的總規(guī)模為每年5000萬個收發(fā)器，而每個光收發(fā)器芯片的面積為25平方毫米；再假設(shè)工廠使用直徑為200毫米的硅片進行生產(chǎn)，且產(chǎn)出率達到100%，那么所需的硅片數(shù)量為4.2萬。

聽起來很多，但是這個數(shù)字還不及一家標準工廠兩周的生產(chǎn)量。事實上，一個收發(fā)器生產(chǎn)商即使擁有1/4的市場占有率，也只能維持幾天的生產(chǎn)。要降低成本，就需要提高生產(chǎn)量。要做到這一點，唯一的辦法是將光技術(shù)應(yīng)用到架頂交換機下面服務(wù)器內(nèi)部的處理器中。

硅光技術(shù)要在現(xiàn)有全電子系統(tǒng)中搶占機遇，必須要有技術(shù)和商業(yè)兩方面的強大優(yōu)勢。這種器件必須能夠解決一個重大難題，并顯著改善整個系統(tǒng)。它還必須小巧、節(jié)能，擁有超高的可靠性，并必須以極快的速度傳輸數(shù)據(jù)。

目前尚未有滿足上述這些要求的解決方案，因此電子技術(shù)仍會繼續(xù)發(fā)展，而不必與光子緊密結(jié)合。如果沒有重大突破，在由“瘦”電子主宰的功能系統(tǒng)中，“胖”光子仍無一席之地。但是，如果能大量、低成本地可靠生產(chǎn)光器件，那么數(shù)十年來對于光纖接入處理器技術(shù)及相關(guān)架構(gòu)的設(shè)想就能夠成為現(xiàn)實。

在過去的15年中我們已取得了很多進展。我們對光子技術(shù)有了更好的理解，對于它在數(shù)據(jù)中心哪里可用、哪里不可用有了更深刻的認識。此外，一個可持續(xù)的、每年可達數(shù)十億美元的光器件商業(yè)市場已經(jīng)形成。光連接已經(jīng)成為全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分。但是目前，在現(xiàn)有電子系統(tǒng)核心部分中應(yīng)用大量光器件的設(shè)想尚不可行。

那么未來會一直如此嗎？我想不會。