IBM用光代替电信号实现电脑芯片间通信

IBM（InternationalBusinessMachines）的科学家首次揭示他们朝通过光脉冲（pulsesoflight）进行通信的微型硅电路（tinysiliconcircuit）取代通过铜线（copperwire）在电脑芯片（computerchip）间进行通信的电信号（electricsignal）这一方向迈出了显著性的一步。随着这项研究在科学杂志《自然》（Nature）的最新一期上发表，这将是改变电脑芯片间通信方式的一个重要进步。

这种被称为纳米光子雪崩光电探测器（nanophotonicavalanchephotodetector）的设备，是同类设备中最快速的，并且在高能效计算方面实现了突破；同时将对电子产业的未来产生重要影响。

这种IBM的设备探测了锗（Germanium）的“雪崩效应”（avalancheeffect），锗是一种目前被广泛用于微处理器芯片（microprocessorchip）产品的材料。像陡峭山坡上的雪崩一样，一束入射光的脉冲最初仅仅释放少数的电荷载（chargecarrier），这些电荷载子再轮流释放其他的载子，直到原始信号被放大很多次。常规的雪崩光电探测器无法快速检测光信号，因为实现雪崩效应的过程太缓慢。

“这一创新使得我们对芯片上的光学互联（on-chipopticalinterconnections）的想象更接近现实，”IBM研究科学与技术部副总裁陈博士（Dr.T.C.Chen）说。“通过嵌入处理器芯片的光通信，建立Exaflop（1018次，是千万亿次petaflop的1000倍）级水平的高效能计算机系统的愿景将在不太遥远的未来实现。”

IBM展示的雪崩光电探测器是世界上同类设备中最快速的设备。它能够接收到高达400亿比特每秒（40Gbps）速度的光信号，并且同时将速度提高10倍。此外，这种设备只需要1.5伏的电压供应就能运行，这比之前展示的产品的耗电量小20倍。因此很多这类微型通信设备可能仅需一节小型的五号电池（AA型，电压1.5伏）就可以工作，而传统的雪崩光电探测器需要20-30伏的电量供应。

“这一显著性提高之所以能够实现，是因为我们在仅仅几十个原子的水平上来操控原子的光学与电子特性，进而很好地实现了超出接受边界以外的性能，”这篇论文的领衔作者阿塞法博士（Assefa）说。“这些微型设备具备探测非常微弱的光脉冲、并且以前所未有的带宽将它们放大、同时使额外产生的不必要的噪声最小化的能力。”

IBM的这种设备中，雪崩倍增（avalanchemultiplication）能够在仅仅几十纳米（10亿分之一米）的水平非常快速地发生。这种微小的型号也意味着，与常规的雪崩光电探测器相比倍增的噪声减弱了50%至70%。IBM的设备由硅（Silicon）和锗制造，这些材料已经被广泛用于微处理器芯片产品中。而且它是采用芯片制造所采用的标准流程制造的。所以，数以千计的这类设备能够通过使用为芯片上光学通信的高带宽而设计的硅晶体管（silicontransistors）并行地进行生产。

这种雪崩光电探测器的成就，是IBM研究中此前一系列报告中的最新一个，也是为建立芯片上互联（on-chipinterconnects）所必需完成的“纳米光子工具箱”（nanophotonicstoolbox）设备开发的最后一块拼图。

在2006年12月，IBM的科学家展示了硅纳米光子延迟（siliconnanophotonicdelayline），它能够对光脉冲中一字节的信息编码进行缓冲——这是为芯片上光学通信建立光学缓冲的必要条件。

在2007年12月，IBM的科学家宣布开发出了一种超小型硅电光调制器（ultra-compactsiliconelectro-opticmodulator），这种调制器能够将电信号转换成光脉冲，这也是实现芯片上光学通信的一个前提条件。

在2008年3月，IBM的科学家宣布他们为芯片上光学通信中的“交通指挥”（directingtraffic）开发出了世界上最小的纳米光子开关（nanophotonicswitch），以确保光信息能够被高效率地路由。

这项研究的报告，题为“为纳米光子芯片上光学互联重塑锗雪崩光电探测器”（ReinventingGermaniumAvalanchePhotodetectorforNanophotonicOn-chipOpticalInterconnects），由位于纽约约克敦海茨（YorktownHeights）的IBM沃森研究中心（IBM’sT.J.WatsonResearchCenter）的科学家所罗门·阿塞法（SolomonAssefa）、夏丰年（FengnianXia；音译）和尤里·弗拉索夫（YuriiVlasov）发表在科学杂志《自然》2010年3月刊上。

IBM在为帮助提高性能、同时减小型号与能量消耗而开创先进的硅技术方面已有很长的历史。这些进展包括世界上第一个基于铜的微处理器（copper-basedmicroprocessor）的开发；硅绝缘体（silicon-on-insulator，简称SOI），一种降低能量消耗同时通过使芯片上上百万的晶体管绝缘而增加性能的技术；以及应变硅（strainedsilicon），一种“拉长”硅内部的材料进而减少阻力并且加快晶体管间电子流动的技术。