Ayar實驗室已成功大幅縮小了目前通過光纜在數(shù)據(jù)中心周圍傳輸數(shù)據(jù)所使用的硅光子元件的尺寸，并降低了其功耗。該設(shè)備可將數(shù)據(jù)編碼到來自紅外激光器的多種波長的光上，通過光纖發(fā)送光。

Avicena的芯粒則與眾不同，它使用的不是紅外激光，而是由藍色microLED制成的微型顯示器所發(fā)出的普通光。Avicena的硬件通過專用光纜中的不同路徑并行發(fā)送數(shù)據(jù)，而非多路復(fù)用所有的光數(shù)據(jù)使其沿單根光纖傳輸。

Ayar具有歷史積淀優(yōu)勢，該公司為客戶提供的技術(shù)類似于其已經(jīng)投入使用的遠距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。而這場競賽中的黑馬Avicena則受益于微顯示行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。微顯示行業(yè)未來將由虛擬現(xiàn)實設(shè)備乃至增強現(xiàn)實隱形眼鏡主宰，在這兩項技術(shù)的推動下，預(yù)計該行業(yè)的年增長率將達到80%，到2030年達到1230億美元。

電信分析公司LightCounting的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官弗拉基米爾?科茲洛夫（Vladimir Kozlov）表示：“這些公司在風(fēng)險和創(chuàng)新方面處于兩個極端。”

Avicena的硅芯片LightBundle由一個氮化鎵microLED陣列、一個同等大小的光電探測器陣列和一些I/O電路組成，從而實現(xiàn)與處理器的通信，輸入數(shù)據(jù)。兩根直徑0.5毫米的光纜將一個芯粒上的microLED陣列連接到另一個芯粒上的光電探測器，反之亦然。這些光纜類似某些內(nèi)窺鏡中的成像線纜，包含一束與片上陣列對齊的光纖芯，其光纖芯有數(shù)百根之多，可為每個microLED提供自己的光路。

該公司首席執(zhí)行官巴迪亞?佩澤什基（Bardia Pezeshki）解釋說，除這種光纜外，Avicena還需要另外兩樣?xùn)|西。“第一樣我認為是最能令所有業(yè)內(nèi)人士驚訝的，即能夠以10千兆比特/秒的速度運行的LED。”他說。考慮到5年前可見光通信系統(tǒng)的技術(shù)水平只有數(shù)百兆赫，“這太驚人了”。2021年，Avicena的研究人員發(fā)布了一種microLED，并將其稱為腔增強型光微發(fā)射器（CROME）。這些器件是開關(guān)速度得到優(yōu)化的microLED，優(yōu)化方法是將電容最小化并犧牲了一些將電子轉(zhuǎn)化為光的效率。

氮化鎵通常不會被集成到硅芯片上用于計算，但得益于microLED顯示行業(yè)的進步，這種做法基本上得以實現(xiàn)。為了尋求用于增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實等的明亮發(fā)射顯示器，蘋果、谷歌和Meta等科技巨頭花了數(shù)年時間來研究如何將已經(jīng)構(gòu)建的微米級LED轉(zhuǎn)移到硅和其他表面上的精確點上。佩澤什基說，現(xiàn)在“每天會這樣做數(shù)百萬次”。Avicena最近從其硅谷“鄰居”Nanosys那里購買了開發(fā)CROME的晶圓廠。

第二個元件是光電探測器。硅不善于吸收紅外光，因此硅光子系統(tǒng)的設(shè)計者一般會制造相對較大的光電探測器和其他元件來進行補償。但由于硅很容易吸收藍光，Avicena系統(tǒng)的光電探測器只需要零點幾微米深，就可以輕松集成到成像光纖陣列下的芯粒中。佩澤斯基表示，十幾年前，斯坦福大學(xué)的大衛(wèi)?A.B.米勒（David A.B. Miller）就已證明探測藍光的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）光電探測器的速度足以完成這項工作。

佩澤什基說，結(jié)合成像光纖、藍色microLED和硅光電探測器的系統(tǒng)每秒可在原型機中傳輸“許多”太比特。與數(shù)據(jù)速率同樣重要的是移動1比特所需的低能耗。“硅光子學(xué)的目標值為每比特幾皮焦耳，來自那些在商業(yè)化方面走在我們前面的公司。”佩澤什基說，“我們已經(jīng)打破了那些紀錄。”在演示中，該系統(tǒng)移動數(shù)據(jù)的能耗大約為每比特半皮焦耳。這家初創(chuàng)企業(yè)的第一款產(chǎn)品預(yù)計將于2023年推出，但不會直接用于處理器，而是先用于連接數(shù)據(jù)中心機架里的服務(wù)器。佩澤什基表示，用于芯片到芯片光鏈路的芯粒將“緊隨其后”。

不過，microLED的數(shù)據(jù)移動能力有限。因為LED光是非相干光，所以受到色散效應(yīng)的影響，其移動距離會被限制在10米左右。相比之下，激光天生擅長遠距離傳輸；Ayar的TeraPHY芯粒最遠可達2公里，顛覆超級計算機和數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的能力甚至可能超過Avicena的技術(shù)。Ayar的首席執(zhí)行官查理?烏伊斯帕德（Charlie Wuischpard）說，它們可以讓計算機制造商徹底地重新思考其架構(gòu)，促使它們制造“本質(zhì)上是單塊計算機芯片卻以機架規(guī)模構(gòu)建的計算機”。他說，該公司正在與合作伙伴GlobalFoundries一起擴大生產(chǎn)，并將于2023年與合作伙伴一起制造原型機，不過不太可能公開。

科茲洛夫表示，預(yù)計會有更多競爭者出現(xiàn)。計算機制造商希望獲得“不僅能在未來兩到三年內(nèi)有所幫助，還能在未來幾十年提供可靠改進”的解決方案。畢竟，他們在尋求取代的銅連接也在不斷改進。

作者：Samuel K. Moore

IEEE Spectrum

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