IBM研究人員開發出60Gb/s光收發機，具有高速、低功耗、低成本特點，有望替代傳統銅互連

日前，來自IBM的研究人員公開了一項重大突破，其實現的60Gb/s的光互連有望在未來廣泛替代價格昂貴的56Gb/s的銅互連。

在2017年日本超大規模集成電路技術研討會上，來自IBM的科學家展示了一個低成本的60Gb/s光接收機，並將於2018年開發出與之相匹配的光發射機，同時，研究人員計劃將兩個設備通過CMOS工藝集成在一起，預計成本將利於銅互連成本。

圖為IBM工程師Alessandro Cevrero工作照

模塊組成

該60Gb/s的低功耗光接收機利用14nmCMOS鰭狀場效電晶體管、數字時鐘和數據恢復模塊製成，具有高抖動容限特性。

IBM工程師Alessandro Cevrero在座談會上表示：「我們正在開發一個低成本、不歸零制（NRZ）、單通道、基於多模垂直腔面發射激光器（VCSEL）的60Gb/s光接收機。」

圖為基於CMOS工藝的光接收機原理示意圖

超低功耗

Cevrero補充道：「我們的功耗比其他競爭對手的都低，接收機大概120mW，發射機大概低於300mW。同時，該接收機/發射機的緊湊型CMOS尺寸及低功耗特性意味著它可以更加靠近處理器或開關晶元，甚至可以和處理器或開關晶元集成到一起，使得能夠直接從處理器或開關晶元中直接提供高的帶寬連接，這包括從處理器到處理器、處理器到內存等。」

超高速

Cevrero表示，基於CMOS工藝的器件開發使得IBM能夠開發出具有二倍傳統傳輸速度的器件，同時大大削減了開發成本。「一些人認為SiGe方案是獲得32Gb/s傳輸速度且具有良好光學敏感度器件的更好選擇，但我們的工作證實了CMOS工藝同樣可以獲得相同的敏感度，但我們的方案的功耗更低。」

對比英特爾

IBM開發出的60Gb/s的光鏈路主要基於CMOS工藝，將III-V族光電探測器（用於接收）和III-V族激光器（用於發射）集成到一起形成一個收發機。英特爾開發的25Gb/s的光收發機利用硅光子對III-V族激光器發出的光進行調製。英特爾結合了四個通道達到了100Gb/s的收發速度，但是其開發成本和功耗都比IBM的方案要高很多。據IBM報道，英特爾將在2020年實現與IBM一致的目標。

IBM開發的收發機樣機目前的工作波長是850nm，這是基於多模垂直腔面發射激光器的標準波長，這使得該樣機適用於處理器到處理器、處理器到存儲器、伺服器到伺服器之間的通信。IBM的研究人員Thomas Toifl表示，該收發機的成本機大概在今年年底或2018年年初問世，到時候其價格值得我們關注。

低成本

Toifl在接受採訪時表示：「截止到目前，光鏈路總是由於其較高的成本而導致其推廣受阻，而如今，我們實現了光鏈路成本與電鏈路成本幾乎持平的目標。然後，當我們在更高的數據速率工作時，電鏈路需要更加複雜的設計且需消耗更多的功率，此外，電鏈路的距離被限制在2米左右，而光學解決方案的距離限制在100米左右。」

下一步研究

Toifl還稱，IBM基於CMOS的光子技術也實現了靈敏度的突破（-9dBm），同時它也滿足理想雲計算對高吞吐量的要求。研究團隊還稱，他們已經實現了CMOS集成電路70+Gb/s的速度突破，但還在致力於III-V族光電二極體和垂直腔面發射激光器的性能開發。

目前，IBM已經證實了基於絕緣體上硅襯底的石墨烯光電探測器，Toifl聲稱他們的新一代CMOS收發器將不再需要鍺，這將是個大突破。

視頻為IBM基於CMOS工藝開發出高速光器件

時長：2:29，大小13.9M

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