Luxtera:光電子的革命

　　光通信在某些市場大行其道，在這些市場上，使用光纖的成本和復雜性是無法避免的。對于大批量應用而言，銅線纜作為通信介質仍然占據(jù)統(tǒng)治地位，但未來將屬于光纖和無線通信。盡管很多公司，包括Intel，都還在研究這些未來的光解決方案，但一家起步公司—Luxtera卻計劃在2006年向市場推出一種成本經濟性好的解決方案，來加速這一技術轉移進程。
 
　　這家取得突破性成就的公司Luxtera宣稱，擁有一種可以讓傳統(tǒng)的硅圓片與光學元件實現(xiàn)對接，并在硅片上中進行光調制的方法，這種調制避免了兼容性更差的材料的使用。今年早些時候，Intel展示的結果表明，在硅上也可以制作激光器件，但Luxtera的解決方案可以讓激光器在另一塊單獨的芯片上制造。Luxtera的設計消除了使用昂貴的III－V族化合物半導體材料（如砷化鎵和磷化銦）的必要。雖然硅對于可見光而言是不透明的，但這種材料對紅外光卻具有驚人的透光性，而且人們可以制作硅結構來實現(xiàn)紅外激光的導波和修正。
 
　　光通信面臨的挑戰(zhàn)是如下方面的成本問題：光學激光器、對激光束進行調制/解調所需的元件；讓芯片元件與光纖實現(xiàn)對接所需的極其精密的機械設計。Luxtera宣稱找到了一種成本經濟性非常好的方法，可將激光與調制芯片實現(xiàn)很好的配合，并將硅片上的調制器與光纖實現(xiàn)配合。不幸的是，Luxtera的革新性技術的細節(jié)目前尚處保密狀態(tài)，因此目前該公司的許多聲明無法得到證實。某些基本的研究最初來自于加州理工學院（Caltech，該校繼續(xù)成為R&D伙伴），但大部分知識產權（IP）是由Luxtera開發(fā)的。該公司在三月半月后發(fā)動了第一波新聞媒體攻勢。
 
　　使得Luxtera特別有吸引力的一點，就是該公司并沒有僅僅依賴一個好的主意——它建立在多個好的主意的基礎上，這些思想綜合起來就可以制造出完整的解決方案。這些概念都建立在長達7年的研究和開發(fā)工作的基礎上，代表了新的光纖連接技術和硅調制器設計。在建立上述的解決方案時，該公司形成了一個豐富的IP庫，其中有約100項成果即將獲得專利。
 

圖1  Luxtera的測試板卡
 
　　Intel也在探索如下的技術：對發(fā)射光的調制、硅結構中的光導能力、光纖到硅片的機械對接以及最近研發(fā)的第一種硅激光器件。Intel擁有一家建在Santa Clara的光電子實驗室，MPR最近有幸參觀了一番。雖然硅的特性并不適合于傳統(tǒng)的激光產生，但Intel能夠利用Raman效應在硅中制造出激光器。不過，到目前為止，Intel的努力還局限于實驗室中的試驗，該公司還沒有公開聲明它何時交付投入生產的解決方案
 
銅互聯(lián)走到了盡頭？Is Copper Down to the Wire?
 
　　多年以來，設計界依賴于帶有銅線層的印刷電路板來完成芯片間的互聯(lián)，而且依靠底板和銅線纜完成機箱和網絡間的互聯(lián)。但是，整個電子生態(tài)系統(tǒng)日益增長的、對帶寬的需求正不斷推動銅互聯(lián)基礎架構的極限擴展。變得越來越復雜的信號調理和精密的位與時鐘編碼方法已經使得銅線傳輸可能的速度擴展到5Gb及5Gb以上，但在較長的距離上，10Gb的速度則達到了銅線傳輸?shù)臉O限。
 
　　不過，永遠不要低估市場延長銅纜、Ethernet和TCP/IP協(xié)議的壽命的能力。在1990年代早期，人們預測網絡的未來是針對光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）的（ANSI）X3T9.5標準。其目標是以一種更健壯、可管理性更好、性能更高的標準來取代銅線。然而，F(xiàn)DDI卻僅僅成為一種面向校園局域網的、應用面狹窄的解決方案，而在雙絞線上傳輸?shù)?0/100M Ethernet則投入了大規(guī)模應用。Ethernet后來被擴展到1Gb，最新的嘗試則是找出一種成本經濟性好的10G解決方案（IEEE 10Gbase－T），它可以保證至少55m的傳輸距離?，F(xiàn)在尚不清楚這一再一次擴展銅線Ethernet容量的最新努力是否會成功。10Gbase－T的實現(xiàn)將需要一種優(yōu)于常見的Cat5電纜的電纜。
 
　　數(shù)據(jù)率達10G的芯片間解決方案很有可能來自于不同的IP提供者，但這些方案的大多數(shù)都需要大量的信號處理，走線長度方面受到限制，而且承受著功耗和電磁輻射的增加所帶來的負擔。
 
　　銅線的主要優(yōu)勢在于，它是現(xiàn)成的（見現(xiàn)有的電纜連接和FR4 PCB基礎架構），而且它的運用十分方便。除了遠距應用和高EMI環(huán)境之外，光纖線纜在各應用中的滲透能力尚無法與銅線相比。光纖電纜的問題是使用時的成本和復雜性。光纖的成本從長遠來看不是一個問題，因為光纖都采用了更為便宜的材料（玻璃vs.銅），而且由于可用于遠程傳輸，單模光纖得到了大規(guī)模應用。光纖的昂貴之處就在于其連接器和激光驅動器。
 
　　雖然LED 可以與多模光纖一起使用，而且價格并不十分昂貴，但大多數(shù)的應用則針對激光和單模光纖的使用，因為它們的傳輸距離更遠。采用激光后，通信范圍得到了擴展，通過使用多種波長來承載信息以提高帶寬的技術也成為可能，該技術已經用于昂貴的遠距離骨干網，被稱為密集波分復用（DWDM）。采用DWDM后，帶寬可以遞增相加，一直累進到太位（1012bit）級帶寬。
 
電子無法長時間阻擋光子的腳步
 
　　戰(zhàn)爭是在2種基本的信息傳輸介質間爆發(fā)的：電子和光子。最終的結果很容易就可以預測出——光子最終會贏得這場戰(zhàn)爭。光子的傳輸距離比電子遠（在適當?shù)慕橘|中），所消耗的功率更少，而且發(fā)熱更小。物理學的基本規(guī)律決定了，隨著時間的推移，一旦某些障礙得以克服，光子學將取代電子學。當然，光電子的元件不會像電子元件那么便宜，或者不會那么容易制造。
 
　　這種介質的轉換從遠距離的電信電纜開始，然后發(fā)展到中等距離傳輸，形式是光纖到路邊（fiber-to-the-curb）的電纜設施建設。在數(shù)據(jù)中心內部，光纖用于必須具備如下特性的場合：高帶寬、抗干擾、遠距離傳輸。一旦價格和制造問題可以讓光電子的成本進一步削減的話，我們就會看到數(shù)據(jù)中心將添加更多的電纜——首先用于機架間的連接，然后用于電路板間的連接，最終會用于芯片間的連接。即使10G調制和光纖到硅芯片連接的成本得以降低，人們還需要制定光電子底板方面的標準，并開發(fā)出印刷電路板上的光路由的大批量制造技術。
 
　　來源于Luxtera技術的首批測試部件目前正由Freescale在其主流的130nm SOI硅工藝線上制造。第一個生產型的部件將于06年二季度開始提供樣品，而且將采用標準的XFP 10Gb模塊形式。這種XFP模塊是用于OC192/STM-64信道、10G Fibre 信道和10G Ethernet的標準的光電部件。（如要了解更多關于XFP 10G的信息，可以訪問http://www.xfpmsa.org/。）XFP模塊還需要一個10Gb差分電氣連接來實現(xiàn)串行的數(shù)據(jù)連接。
 
　　Luxtera的第一種產品可以讓該公司直接嵌入現(xiàn)有的基礎架構中，我們可以認定，它的報價將定在一個出奇的價位上，以證明Luxtera實現(xiàn)方案在成本上的優(yōu)勢。該公司在這些模塊之外還有什么計劃，尚不得而知，但Luxtera可以繼續(xù)將該技術留給自己的硅基網絡物理層（PHY）元件。如果該公司的最終目標是彌漫式的、滲透到系統(tǒng)芯片級的光學網絡，就需要給予主流IC制造商使用該技術的許可，使之能集成到高性能的微處理器和系統(tǒng)器件中。
 
　　對Luxtera而言，而且一般來說對整個光電子技術而言，未來確實十分光明。該公司已經向少數(shù)幾家關鍵性的伙伴，包括Sun Microsystems，展示了其技術。我們將一直關注該公司的進展，而且我們希望將來能報道更多的細節(jié)。我們還預計多家公司將繼續(xù)把銅技術擴展到至少10G的水平，但其傳輸距離仍會受限。