400 Gb/s 数据传输速率：光芯片技术新飞跃

连接数据中心内密集计算机的光链路即将迎来关键升级。据半导体行业观察消息，至少有两家公司 ——Imec 和 NLM Photonics—— 表示，他们已经实现了每通道 400 千兆位 / 秒的数据传输速率，或者即将实现这一速度，这是数据中心的下一个关键目标。值得一提的是，这两家团队的设备均基于硅基材料，而非依赖于奇特的新技术。

如今，数据中心内的服务器机架使用光收发器在数十米甚至数百米的距离上进行通信。光收发器将电子比特编码到光束中，并在另一端进行解码。这些收发器位于电缆的末端，每根电缆包含 8 根光纤。比利时根特大学 Imec 研究小组 IDLab 的研究员 Cedric Bruynsteen 表示，目前此类收发器的典型数据速率为每通道 100 Gb/s，而业界正在迅速提升至 200 Gb/s。

随着 AI 训练集群和其他计算密集型应用的爆炸式增长，对更大带宽、更高性能和更高效率的需求愈发迫切。Bruynsteen 表示，每通道 400 Gb/s 的收发器 “将代表一个新的里程碑”。研究人员正在探索一系列技术来满足这一需求，例如半导体制造巨头台湾积体电路制造公司（TSMC）正与位于加州桑尼维尔的 Avicena 公司合作，生产基于 MicroLED 的互连线。加州大学圣巴巴拉分校电气与计算机工程教授 Clint Schow 表示：“这些技术中的任何一种都可能最终胜出，现在就像狂野的西部。”

西雅图NLM Photonics公司首席技术官兼联合创始人Lewis Johnson表示，由于能源效率和其他因素，硅光子技术通常被认为无法扩展到每通道400 Gb/s。因此，他指出，研究人员正在探索其他平台，例如磷化铟（InP）、钛酸钡（BTO）和薄膜铌酸锂（TFLN）。然而，这些新平台在光互连方面也存在自身的缺陷。例如，Bruynsteen 表示，InP 的根本限制在于晶圆尺寸较小和制造成本较高。Johnson 补充说，BTO 和 TFLN 都需要昂贵的制造工艺改进。

Imec的新型调制器

Imec 的研究人员开发出一种硅锗电吸收调制器。当施加电压时，半导体会吸收更多光，从而使该设备能够控制通过的光信号强度。Imec 指出，这款新器件每通道可提供 448 Gb/s 的数据速率，这在硅基电吸收调制器中尚属首次。Bruynsteen 表示：“电吸收调制器一直是一个引人入胜的元件，因为它们独特地结合了低功耗、紧凑的体积和高速运行等特性。将所有这些优势整合到一个器件中，可以说是调制器设计领域的终极目标。”

448 Gb/s 可能并非该技术的最高速度。Bruynsteen 指出，现在已经到了测试设备成为限制因素的阶段，更高频率的测量工具可以帮助探索新设备的数据速率究竟能达到多快。新器件在传统的 C 波段（波长约为 1550 纳米的红外线）中性能最佳，通常用于长距离光通信。然而，目前大多数数据中心链路都在 O 波段运行，中心波长约为 1310 纳米。这是因为 O 波段的色散较小，不同波长在材料中传播的速度不同，导致光脉冲扩散并失真。不过，考虑到传输距离相对较短，色散对于这种应用来说应该不成问题。

新器件在传统的C波段（波长约为1550纳米的红外线）中性能最佳，通常用于长距离光通信。然而，Schow指出，目前大多数数据中心链路都在O波段运行，中心波长约为1310纳米。这是因为O波段的色散较小，不同波长在材料中传播的速度不同，导致光脉冲扩散并失真。不过，他补充道，考虑到传输距离相对较短，色散对于这种应用来说应该不成问题。

布鲁因斯汀表示，这款面积约为300平方微米的新器件使Imec“能够充分利用标准CMOS制造的可扩展性和成本效益”。肖夫表示，“这可能是Imec在这方面的优势之一”，肖夫并未参与Imec或NLM的研究。这家总部位于比利时的研究机构在9月份于哥本哈根举行的欧洲光通信会议上详细介绍了其工作。

Bruynsteen 表示，目前 Imec 正在与合作伙伴分享他们的新设备，以探索其在 AI 训练集群和其他高性能环境中的潜力。“我们的下一个目标是在真实的数据中心条件下验证该设备，例如较高的工作温度和各种光功率水平，以确保其性能稳定可靠。”他说道。

混合硅有机光子学

与 Imec 不同，NLM Photonics 采用的是硅 - 有机混合光子学技术。他们的每款新芯片都拥有八个马赫 - 曾德尔调制器，将进入芯片的光分成两个独立的分支。该芯片可以通过电学方式改变其中一条路径的光学特性，从而改变其相位。当这些光束重新组合时，任何相移都会改变最终光的强度。NLM 使用的硅 - 有机混合材料比普通硅材料需要更低的电压来改变其光学特性。

第三方测试发现，NLM 的芯片每通道数据速率可达 224 Gb/s。Johnson 表示，该公司目前的目标是 “与合作伙伴一起演示每通道 400 Gb/s 的链路，展示实际的性能扩展”。NLM 在 10 月份的光子赋能云计算行业峰会上详细介绍了其研究成果。NLM 声称，由于工作电压极低，其八通道芯片的运行效率比传统的硅光子调制器高 10 到 15 倍；新设备在 1 V 或更低的驱动电压下运行，而同类硅光子调制器在 2.5 到 3.5 V 的驱动电压下运行。NLM 芯片也比采用竞争技术制造的芯片更小，仅为 17 平方毫米，而竞争技术芯片为 25 到 50 平方毫米。

尽管 NLM 的设备使用了当今光子制造中不常见的有机材料，但它在制造过程中使用得足够晚，因此不会导致昂贵的修改。Johnson 表示，NLM “已记录了优异的材料级稳定性结果”，不仅展现了超过 120℃的长期热稳定性，而且其封装技术能够承受电信硬件所需的 85℃高温、湿度和高温测试。他还表示，NLM 还在内部开发下一代材料，以增强其热稳定性，使其能够适应更严苛的加工条件，并应用于量子计算等数据通信以外的应用。

Schow 表示，“Imec 的做法可能更为谨慎，这款器件目前已可在 300 毫米芯片上使用，不存在任何制造问题。” 不过，“聚合物是‘超越硅’创新的有力竞争者。随着我们开发出越来越快的连接速度，尤其是在下一代材料出现之前，谁会是赢家永远都难以确定。”