硅光，下一代网络的全新技术

1969年，大名鼎鼎的贝尔实验室提出了“硅光子技术”，如今已经过去了50多年。

作为一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，硅光经过了最早40年的技术探索和接下来10年的技术突破之后，如今已经越发成熟。尤其是在当下超大规模数据中心层出不穷，大数据传输、人工智能应用等对于数据吞吐量和延迟都有了更高的要求，也为硅光技术的发展提供了更为广阔的用武之地。

作为电信号传输的替代品，硅光技术具备着与生俱来的优势。最近几年，芯片问题被大众所关注，特别是制程工艺的不断进化让电子技术遇到了前所未有的“高峰”，技术突破也越发困难。如今，7nm已经进入商用，5nm已经在实验室测试，甚至3nm也在研发中。但是未来，在3nm甚至说1nm之后是什么？谁也给不出明确的答案。

很显然，电子技术遭遇了瓶颈，我们不可能无限制的缩小芯片物理结构，而同时带来的漏电流增加、散热大等问题更是难以解决。电子技术是不是走到头了？这个虽然难以定论，但是看看量子技术的火爆就不难推断出，整个业界都在寻找“另一条道路”。在网络领域，这条道路就是硅光技术。

硅基的优势非常明显——小、快、便宜，与CMOS传统工艺兼容性好、光学损耗低。与此同时，硅光还具备了微电子为代表的集成电路超大规模、超高精度的优势，以及光子技术超高速率、超低功耗的优点。可以说，伴随着海量数据时代的来临，数据传输难题将越来越大，硅光是目前看起来最为有效的方法。

或许你可能觉得，光信号传输并不是新鲜事，甚至目前我们许多交换机采用的也是光信号，比如大家熟悉的光纤。但是你可能不知道，如今我们使用的光子集成电路的基底材料主要是磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、铌酸锂(LiNbO3)等，价格非常昂贵，因此在商业化的道路上也就走得不太顺利。相比之下，在氧化硅基底中，同样的光信号传播时几乎不会发生衰减，而且硅材料本身价格低廉且工艺非常成熟，这也是为什么硅光技术能够脱颖而出。

虽然是贝尔实验室提出了硅光技术的概念，但将其发扬光大的却是大家熟悉又陌生的品牌——英特尔。说它熟悉，因为我们大部分人都在使用它的芯片，而恰恰如此，许多人觉得英特尔就是一个CPU厂商。但其实，英特尔早就不仅仅是一家半导体制造商，在2019年年底的的“架构日”上，英特尔就宣布了以制程&封装、架构、内存&存储、互连、安全和软件等为核心的六大技术支柱，其中“互连”指的就是网络平台，自然也将硅光技术包括在内。

说起来，英特尔对于硅光技术的研究可以追溯到十多年前。早在2007年，英特尔就宣布了40Gb/s带宽的硅调制器，并在随后的2008年5月宣布用8路硅调制器实现的200Gb/s的成果。要知道在当时，10Gb/s带宽依然是应用的主流，英特尔将这个数字提升了近20倍，非常具备前瞻性。

到了2015年，英特尔更是业界首家证明了硅光电子器件性能超越同类传统光电子器件——硅基光电雪崩探测器达到了有史以来的最高340GHz的“增益带宽积”。基于这个发现，英特尔推出了传输速率在100Gb/s的商用硅光模块，时至今日你还可以在官网查询到详细的产品介绍。换句话说，英特尔确信，硅光才是未来数据传输的技术之光。

据知名市场调研机构LightCounting预测——到2022年，硅光子技术将在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越传统光模块预测；而到2024年，硅光光模块市场市值将达65亿美金，占比高达60%。换句话说，抛开现有的电子模块不谈，未来光模块将大量被硅光技术取代。

英特尔恐怕将成为这个领域的最大受益者。从2016年英特尔将其硅光子产品“100G PSM4”投入商用起，截止目前，英特尔已经为客户提供了超过400万个100G的硅光子产品。而在2020年的英特尔研究院开放日活动上，英特尔又提出了“集成光电”愿景，即将光互连I/O直接集成到服务器和封装中，对数据中心进行革新，实现1000倍提升，同时降低成本。

这种改变已经势在必行。正如我们在开篇提到的，海量数据对于带宽的需求非常迫切。尽管目前高速传输市场的主流依然是传统模块，但得益于硅光的高速、稳定、廉价等特性，包括云计算、大数据、物联网、人工智能、高性能计算等众多技术都可以获得加速，包括电信、航空航天、医疗等应用场景也将受益其中。

以最热门的5G应用为例。如今，5G核心骨干网的接入层接口速率已经从6G/10G提升至25G；汇聚层接口速率从25G/50G提升至50G/100G；核心层接口速率从100G/200G提升至200G/400G。而一旦提升到400G以上的需求，就是硅光技术的最佳应用场景，无论从成本还是从效率来说，硅光都会对传统技术实现全面超越，也会提供高速度大容量的数据传输。

越是需要高带宽、长距离稳定传输的场景，越是硅光技术的核心战场。相对于数据中心内部大约2KM的传输距离来说，不同5G基站之间的信号传输甚至城域网80-100KM的应用场景才能够体验硅光的价值。特别是在大数据、高吞吐的场景下，多路集成的硅光传输对于带宽的提升效果非常明显。

比如号称“计算皇冠明珠”的超算应用中。如今，全球各国都在向百亿亿次超算迈进，但是这其中面临访存墙、可靠性墙、功耗墙、I/O墙等等难题，一时之间让众多顶尖科学家举步维艰。以I/O墙为例，由于受到RC(电阻电容)延迟经典物理效应的限制，电气I/O的规模无法保持同步增长，从而形成了“I/O功耗墙”，限制了计算运行的可用能源。但如果采用硅光技术，则可以在片上互连、片间互连应用中Pb/s量级的传输速率，破解这一难题。

同样的价值还可以体现在超大规模的数据中心当中。凭借着人口红利，中国有着全球最大的互联网用户市场，也就培育出了众多超大规模的数据中心。以一个拥有超过10万台服务器和5万多个交换机的数据中心为例，它们之间的连接需要超100万个光模块，花费在1.5亿美元至2.5亿美元之间，而在替换为硅光模块之后，成本会有更明显的下降。

当然了，虽然在技术场硅光模块已经渐趋成熟，市场需求也越发明确，但是阻碍它发展的还是产能问题。一直以来，硅光技术都是叫好不叫座，虽然有英特尔、思科等巨头的不懈推动，但是在产能及良品率上始终不足。究其原因，主要是硅光芯片是高度集成的单芯片，而不是传统光芯片那种多部件的组合。也正因为如此，产业链越完整、自主能力越高的企业，越能够提供合格的硅光芯片。

英特尔就是如此。相对于其他采用代工厂的品牌来说，英特尔一直走的都是一体化IDM模式，甚至在不久前还提出了IDM2.0战略，赋能更多的合作伙伴。按照英特尔CEO帕特·基辛格的说法，“英特尔是唯一一家在软件、硅和平台、封装和工艺方面具有深度和广度的公司，其下一代创新可以依赖于大规模制造客户。IDM 2.0是一个只有英特尔才能实现的优雅策略，也是一个制胜法宝。”

事实正是如此。相对于其他品牌只能从硅光技术或者网络层面切入，英特尔有着更为广阔的生态覆盖。正如我们刚刚提到的“六大支柱”那样，英特尔已经实现了从计算到存储到网络到软件到应用到生态系统的全栈覆盖。对于数据中心应用来说，你可以由下至上看到众多英特尔的身影，而这些身影也正在帮助企业级客户从传统的、繁重的IT管理和运维中摆脱出来，以数据为中心，真正实现业绩提升，项目落地。

从这个角度来说，英特尔提供的并不是某一款产品或者某一项技术，而是数字化的未来。