用光纤连接取代铜互连，两家初创公司将光纤引入处理器

选自IEEE Spectrum

作者：SAMUEL K. MOORE

机器之心编译

编辑：袁铭怿

「这些公司身处风险和创新的两个极端。」

如果首尔的 CPU 向布拉格的处理器发送一个字节的数据，这些信息将会毫无阻碍地光速传播。但若将这两个处理器放在同一个主板上，它们之间的通信就需要通过耗能的铜来进行，这会降低计算机内部的通信速率。这一限制存在已久，两家硅谷初创公司 Avicena 和 Ayar Labs 正在努力打破它。如果他们最终成功地将光纤一路引入处理器，这可能不仅会加速计算，还可能重塑计算。

两家公司都在开发光纤连接的芯片，这是一种小型芯片，可以在共享封装中与 CPU 和其他需要大量数据的芯片共享高带宽连接。这两家公司都将在 2023 年加大产量，尽管搭载这两款产品的计算机可能还需要几年时间才能面市。

Ayar Labs 已经成功地大幅小型化了当今用于通过光纤电缆在数据中心周围传输比特的各种硅光子组件尺寸，并降低了其功耗。该设备将数据编码到来自红外激光器的多个波长的光上，并将光通过光纤发送。

Avicena 芯片的不同之处在于：它使用的不是红外激光，而是由蓝色 microLED 制成的微型显示器发出的普通光。此外，Avicena 的硬件并没有将所有的光学数据进行多路复用（这样数据可以在一根光纤上传输），而是通过一根专用光缆的不同路径并行发送数据。

Ayar 拥有悠久的历史，它为客户提供了一种类似于他们已经在使用的远距离传输数据的技术。但这场竞赛中的黑马 Avicena 受益于微显示行业的持续发展，该行业预计每年增长 80%，到 2030 年将达到 1230 亿美元，与之相关的未来构想充满了虚拟现实设备，甚至增强现实隐形眼镜。

电信分析公司 LightCounting 的创始人兼首席执行官 Vladimir Kozlov 表示：“这些公司身处风险和创新的两个极端。”

MicroLED vs. Infrared Laser

Avicena 公司的硅芯片 LightBundle 由一组氮化镓 microLED、一组同等大小的光电探测器和一些 I/O 电路组成，以支持与处理器之间的数据通信。两条直径 0.5 毫米的光缆将一个芯片上的 microLED 阵列连接到另一个芯片上的光电探测器，反之亦然。这些电缆 (类似于某些内窥镜中的成像电缆) 包含一束与芯片阵列对齐的光纤芯，为每个 microLED 提供自己的光路。

Avicena 的 CEO Bardia Pezeshki 解释说，除了这种电缆，Avicena 还需要另外两种东西：“首先，我认为业界最令人惊讶的就是 LED 可以以每秒 10gb 的速度运行。”“这太令人震惊了”，因为仅仅五年前，可见光通信系统的技术水平还在数百兆赫。但在 2021 年，Avicena 的研究人员发布了一种 microLED，他们称之为腔增强光学微发射器 (cavity-reinforced optical micro-emitter，CROME)。这些器件是 microLED，通过最小化电容和牺牲一些将电子转换为光的效率来优化开关速度。

氮化镓通常不会被集成在硅芯片上用于计算，但由于 microLED 显示行业的进步，这样做也没有什么困难。为了寻求用于 AR/VR 和其他设备的明亮发射显示器，苹果、谷歌和 Meta 等科技巨头花费了数年时间来研究如何将已经构建的微米级 LED 转移到硅和其他表面的精确点上。现在，“每天都有数百万人这样做，”Pezeshki 说。Avicena 自己最近从硅谷的邻居 Nanosys 那里购买了开发 CROME 的晶圆厂。

第二个组件是光电探测器。硅不擅长吸收红外光，因此硅光子系统的设计者通常通过制造相对较大的光电探测器和其他组件来进行补偿。但是由于硅很容易吸收蓝光，Avicena 系统的光电探测器只需十分之几微米深，就可以很容易地集成在成像光纤阵列下的芯片中。Pezeshki 称赞斯坦福大学的 David A.B. Miller 在十多年前证明了蓝光探测 CMOS 光电探测器的速度足以完成这项工作。

Pezeshki 说，成像光纤、蓝色 microLED 和硅光电探测器的结合，形成了一个在原型中每秒传输 “许多” 太比特的系统。与数据速率同样重要的是移动一个比特所需的低能量。Pezeshki 说:“如果你看硅光子学的目标值，会发现它们是几皮焦耳 / 比特，这些都来自那些在商业化方面远远领先于我们的公司。”“但我们已经打破了这些记录。” 在演示中，该系统以每比特约半皮焦耳的速度移动数据。这家初创公司的第一款产品预计将在 2023 年推出，但不会一直延伸到处理器，而是旨在连接数据中心机架内的服务器。Pezeshki 还提到，随之而来的将是芯片到芯片的光学链路芯片。

但是 microLED 数据传输的能力有限。由于 LED 光是非相干的，它受到色散效应的影响，将其限制在 10 米左右。相比之下，激光天生擅长远距离传输；Ayar 的 TeraPHY 芯片的覆盖范围可达 2 公里，可能比 Avicena 的技术更能颠覆超级计算机和数据中心的架构。Ayar 的 CEO Charlie Wuischpard 表示，他们可以让计算机制造商彻底地重新审视自己的架构，让他们能够制造机架规模的一整个计算机芯片。他说，该公司正在与合作伙伴 GlobalFoundries 一起提高产量，并在 2023 年与合作伙伴一起建造原型机，但这些原型机不太可能公开。

Kozlov 表示，预计还会出现更多的竞争对手。计算机制造商想要的解决方案需要 “不仅能在未来两到三年内提供帮助，而且能在未来几十年内提供可靠的改进。” 毕竟，他们想要替代的铜互连也在不断改进。