Luxtera:光电子的革命

　　光通信在某些市场大行其道，在这些市场上，使用光纤的成本和复杂性是无法避免的。对于大批量应用而言，铜线缆作为通信介质仍然占据统治地位，但未来将属于光纤和无线通信。尽管很多公司，包括Intel，都还在研究这些未来的光解决方案，但一家起步公司—Luxtera却计划在2006年向市场推出一种成本经济性好的解决方案，来加速这一技术转移进程。
 
　　这家取得突破性成就的公司Luxtera宣称，拥有一种可以让传统的硅圆片与光学元件实现对接，并在硅片上中进行光调制的方法，这种调制避免了兼容性更差的材料的使用。今年早些时候，Intel展示的结果表明，在硅上也可以制作激光器件，但Luxtera的解决方案可以让激光器在另一块单独的芯片上制造。Luxtera的设计消除了使用昂贵的III－V族化合物半导体材料（如砷化镓和磷化铟）的必要。虽然硅对于可见光而言是不透明的，但这种材料对红外光却具有惊人的透光性，而且人们可以制作硅结构来实现红外激光的导波和修正。
 
　　光通信面临的挑战是如下方面的成本问题：光学激光器、对激光束进行调制/解调所需的元件；让芯片元件与光纤实现对接所需的极其精密的机械设计。Luxtera宣称找到了一种成本经济性非常好的方法，可将激光与调制芯片实现很好的配合，并将硅片上的调制器与光纤实现配合。不幸的是，Luxtera的革新性技术的细节目前尚处保密状态，因此目前该公司的许多声明无法得到证实。某些基本的研究最初来自于加州理工学院（Caltech，该校继续成为R&D伙伴），但大部分知识产权（IP）是由Luxtera开发的。该公司在三月半月后发动了第一波新闻媒体攻势。
 
　　使得Luxtera特别有吸引力的一点，就是该公司并没有仅仅依赖一个好的主意——它建立在多个好的主意的基础上，这些思想综合起来就可以制造出完整的解决方案。这些概念都建立在长达7年的研究和开发工作的基础上，代表了新的光纤连接技术和硅调制器设计。在建立上述的解决方案时，该公司形成了一个丰富的IP库，其中有约100项成果即将获得专利。
 

图1  Luxtera的测试板卡
 
　　Intel也在探索如下的技术：对发射光的调制、硅结构中的光导能力、光纤到硅片的机械对接以及最近研发的第一种硅激光器件。Intel拥有一家建在Santa Clara的光电子实验室，MPR最近有幸参观了一番。虽然硅的特性并不适合于传统的激光产生，但Intel能够利用Raman效应在硅中制造出激光器。不过，到目前为止，Intel的努力还局限于实验室中的试验，该公司还没有公开声明它何时交付投入生产的解决方案
 
铜互联走到了尽头？Is Copper Down to the Wire?
 
　　多年以来，设计界依赖于带有铜线层的印刷电路板来完成芯片间的互联，而且依靠底板和铜线缆完成机箱和网络间的互联。但是，整个电子生态系统日益增长的、对带宽的需求正不断推动铜互联基础架构的极限扩展。变得越来越复杂的信号调理和精密的位与时钟编码方法已经使得铜线传输可能的速度扩展到5Gb及5Gb以上，但在较长的距离上，10Gb的速度则达到了铜线传输的极限。
 
　　不过，永远不要低估市场延长铜缆、Ethernet和TCP/IP协议的寿命的能力。在1990年代早期，人们预测网络的未来是针对光纤分布式数据接口（FDDI）的（ANSI）X3T9.5标准。其目标是以一种更健壮、可管理性更好、性能更高的标准来取代铜线。然而，FDDI却仅仅成为一种面向校园局域网的、应用面狭窄的解决方案，而在双绞线上传输的10/100M Ethernet则投入了大规模应用。Ethernet后来被扩展到1Gb，最新的尝试则是找出一种成本经济性好的10G解决方案（IEEE 10Gbase－T），它可以保证至少55m的传输距离。现在尚不清楚这一再一次扩展铜线Ethernet容量的最新努力是否会成功。10Gbase－T的实现将需要一种优于常见的Cat5电缆的电缆。
 
　　数据率达10G的芯片间解决方案很有可能来自于不同的IP提供者，但这些方案的大多数都需要大量的信号处理，走线长度方面受到限制，而且承受着功耗和电磁辐射的增加所带来的负担。
 
　　铜线的主要优势在于，它是现成的（见现有的电缆连接和FR4 PCB基础架构），而且它的运用十分方便。除了远距应用和高EMI环境之外，光纤线缆在各应用中的渗透能力尚无法与铜线相比。光纤电缆的问题是使用时的成本和复杂性。光纤的成本从长远来看不是一个问题，因为光纤都采用了更为便宜的材料（玻璃vs.铜），而且由于可用于远程传输，单模光纤得到了大规模应用。光纤的昂贵之处就在于其连接器和激光驱动器。
 
　　虽然LED 可以与多模光纤一起使用，而且价格并不十分昂贵，但大多数的应用则针对激光和单模光纤的使用，因为它们的传输距离更远。采用激光后，通信范围得到了扩展，通过使用多种波长来承载信息以提高带宽的技术也成为可能，该技术已经用于昂贵的远距离骨干网，被称为密集波分复用（DWDM）。采用DWDM后，带宽可以递增相加，一直累进到太位（1012bit）级带宽。
 
电子无法长时间阻挡光子的脚步
 
　　战争是在2种基本的信息传输介质间爆发的：电子和光子。最终的结果很容易就可以预测出——光子最终会赢得这场战争。光子的传输距离比电子远（在适当的介质中），所消耗的功率更少，而且发热更小。物理学的基本规律决定了，随着时间的推移，一旦某些障碍得以克服，光子学将取代电子学。当然，光电子的元件不会像电子元件那么便宜，或者不会那么容易制造。
 
　　这种介质的转换从远距离的电信电缆开始，然后发展到中等距离传输，形式是光纤到路边（fiber-to-the-curb）的电缆设施建设。在数据中心内部，光纤用于必须具备如下特性的场合：高带宽、抗干扰、远距离传输。一旦价格和制造问题可以让光电子的成本进一步削减的话，我们就会看到数据中心将添加更多的电缆——首先用于机架间的连接，然后用于电路板间的连接，最终会用于芯片间的连接。即使10G调制和光纤到硅芯片连接的成本得以降低，人们还需要制定光电子底板方面的标准，并开发出印刷电路板上的光路由的大批量制造技术。
 
　　来源于Luxtera技术的首批测试部件目前正由Freescale在其主流的130nm SOI硅工艺线上制造。第一个生产型的部件将于06年二季度开始提供样品，而且将采用标准的XFP 10Gb模块形式。这种XFP模块是用于OC192/STM-64信道、10G Fibre 信道和10G Ethernet的标准的光电部件。（如要了解更多关于XFP 10G的信息，可以访问http://www.xfpmsa.org/。）XFP模块还需要一个10Gb差分电气连接来实现串行的数据连接。
 
　　Luxtera的第一种产品可以让该公司直接嵌入现有的基础架构中，我们可以认定，它的报价将定在一个出奇的价位上，以证明Luxtera实现方案在成本上的优势。该公司在这些模块之外还有什么计划，尚不得而知，但Luxtera可以继续将该技术留给自己的硅基网络物理层（PHY）元件。如果该公司的最终目标是弥漫式的、渗透到系统芯片级的光学网络，就需要给予主流IC制造商使用该技术的许可，使之能集成到高性能的微处理器和系统器件中。
 
　　对Luxtera而言，而且一般来说对整个光电子技术而言，未来确实十分光明。该公司已经向少数几家关键性的伙伴，包括Sun Microsystems，展示了其技术。我们将一直关注该公司的进展，而且我们希望将来能报道更多的细节。我们还预计多家公司将继续把铜技术扩展到至少10G的水平，但其传输距离仍会受限。