英特尔将在2010年左右开始推行Many Core平台，如果混合硅激光技术进展顺利，英特尔会将其整合于Many Core平台，让光传输成为真正的系统中枢。
作为计算机系统的神经中枢，总线的性能必须与芯片的处理性能相匹配，否则就会拉了整机性能的后腿。正因为如此，计算业界对高速总线从来都是孜孜以求，而总线技术的每一次进步，也往往预示着计算架构将出现重大的更新。
所有的高性能计算系统都拥有高性能的总线，但如果你认为百GBps的带宽就非常足够，那么明显缺乏远见。未来的计算机系统将拥有上百个处理核心，每个核心都要求超高速通讯，并且要满足分布式共享架构，无论是芯片内部、芯片与芯片之间抑或是系统间都要求拥有超高速的传输通路，总线速度提升到千GBps级别非常必要。作为产业的领导者，英特尔认为现有的电路总线传输技术将会遭遇严峻的挑战，早在多年前它就开始硅光技术的基础研究，试图将光传输与半导体硅技术结合起来。在今年9月份召开的IDF技术峰会上，英特尔正式披露这一研究获得突破，它就是我们在本文将要介绍的“连续波激光（Continuous wave silicon laser）”与“混合硅激光（Hybrid Silicon Laser）”项目。
实现光总线的技术难点
用光技术来传输数据拥有许多优点。首先，光传输没有信号干扰的问题，无论处于何种环境下、以何种方式进行传输，光信号都不会受到外界干扰，你甚至可以在一条光通路里同时传送多个不同的光信号，彼此也不会相互影响。无干扰传输性能让现有的电路传输技术难以比肩，众所周知，业界当初从并行总线转向串行总线体系，原因就在于克服高频干扰障碍。串行总线虽然可以实现远高于并行技术的工作频率，但它同样容易遭受干扰，如外界较大的电磁波动就会影响稳定性，另外如果频率继续上升一个量级（10GHz），串行总线也将遭遇传输稳定性的难题。当然，你更不可能让一条线路同时传输多个不同的信号，因为这些电信号彼此会相互影响。其次，光信号在传输过程中完全不受到阻力，也不会产生热量，这种特性类似于电传输体系的超导传输。因此，如果在芯片内部以光信号来代替电信号传输数据，实现硅光的混合运算，便能够有效解决高频半导体硅芯片存在发热量高的难题，并实现跨越性的性能提升。
光传输技术的巨大优点早已被人们所认识，早在上个世纪70年代，光通讯概念就开始提出，并随后进入实质性的技术开发。大约在90年代中期，光纤通讯技术终于进入商用化阶段，光纤开始被普遍应用于各类远程数据通讯系统中，如Internet的骨干网完全由光纤构成，城域网、高速宽带入户也普遍采用光纤通讯技术，只有在终端用户环节才转为以太网技术。伴随着互联网的高速增长，光纤通信也逐渐成长为一个庞大的产业，并日益受到业界的重视。另外在一些高端计算机系统内，光纤通讯技术也获得一定程度的应用，例如光纤接口的企业硬盘、联结多系统的FibreChannel光纤接口等等，这些应用也都奠定了光纤通信技术的高端地位。
但另一方面，高品质光组件很大程度依赖于手工组装和封装，难以实现低成本的大规模量产，导致搭建光传输系统成本高昂，这也是光传输技术一直都无法流行于用户桌面的主要原因。而在计算机系统内部，光传输技术更是无法找到立足之地─计算机内部所有的总线技术都是基于电子传输体系，即以电路作为媒介来传输二进制数据，由于电子传输的先天不足，计算机总线的设计师们一直都在与“干扰”作斗争，总线性能的提升也总是以小幅度的方式进行。既然光传输拥有如此众多的优点，为何不在系统内直接采用光传输技术，一劳永逸解决总线性能问题呢？这固然是一种未雨绸缪的想法，但事实并不像说得那么轻巧。尽管我们能够实现远距离的光纤通信，但却难以在系统内构建光传输通路，原因在于现有的半导体硅芯片都无法自主发光，也无法接收光信号。光纤通信系统采用独立的激光发生器来解决问题，这种激光器采用磷化铟材料，可以在电压控制下产生激光信号，对应的接收器则可以将激光信号还原为电信号；再配合调制和解调机制，就可以将数据通过光纤进行异地传输。但半导体硅芯片不具备自主发光和接收能力，光纤通讯采用的激光器件又无法在低成本前提下做到微型化，将现行的光纤通讯系统直接导入计算机系统内部根本无从实现，更别说在芯片内部实现光传输。显然，如果业界要实现系统内光传输，就必须寻求另外的解决方案，而英特尔的连续波激光与混合硅激光技术便是其中的佼佼者。
混合硅激光基础技术
早在2005年2月，英特尔就发布了一项名为“连续波激光（continuous wave silicon laser，CW laser）”的硅光混合技术，这项技术利用标准半导体制造工艺开发出全球首套可驱动连续光波的硅芯片组件，实现硅片与激光技术的结合。这二者过去一向被认为泾渭分明，难以在芯片尺度实现共存，而英特尔的硅组件连续波激光技术成功地打破了这个界限。
众所周知，半导体硅材料无法像玻璃光纤一样可以让光线通过，无论对可见光还是紫外线都是屏蔽的，但对红外光来说，半导体硅材料却完全透明，因此如果采用红外光来作为数据传输的媒介，与硅芯片达成结合就具有一定的理论可行性。除了可让光线无障碍透过外，硅光混合还需要解决光信号的控制、传导以及放大等问题，连续波激光技术在这些方面都有了重大突破。
在光纤通信系统中，光信号的放大是通过专门的放大系统进行，以便在传输路线中周期性地恢复信号功率。但硅芯片内部不可能容纳这样的放大器，为此英特尔的研究人员发明了一种方法，利用“拉曼效应（Raman effect）”来实现光信号的放大。有一定光学知识的读者应该了解拉曼效应的基本内容：光照射到物质上会发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光波长同激发光波长相同，而非弹性散射的散射光波长则与激发光波长存在差异，这种现象被称为“拉曼效应”，而非弹性散射的光谱则被称为“拉曼光谱”。英特尔的研究人员利用拉曼效应原理来构建硅光组件，这项工作的第一步就是在硅片中蚀刻出“波导（waveguide）”。波导是芯片内光线传递的通道，对红外线光来说，硅材料的波导就好比是透明的玻璃光纤，因此当红外光进入波导时，研究人员就可以在芯片内对红外光进行控制及传导。不过，硅片本身无法产生红外光，英特尔的研究人员就利用了一个外部光源将红外激光导入芯片内，产生连续完整的激光束。为了形成拉曼效应，硅芯片表面被覆上一层反射性的薄膜（类似高品质太阳镜的反射膜），当红外激光导入到芯片时，一部分激光会照射到薄膜上形成拉曼散射，并在波导内部形成自然原子振动，进而对光信号产生放大作用。与玻璃光纤相比，硅芯片内的拉曼效应强度要高出一万倍以上，信号放大效果极其显著。
但研究工作并没有就此一帆风顺，在初期的研究工作中，英特尔的科学家发现，当光线加压功率提高至某个临界值时，信号的放大率就不会再升高，如果再加压，反而会导致信号放大率下降。其症结来自于一种名为双光子吸收（Two-Photon Absorption）的物理现象：如果一个红外光子打到硅原子上，会不受障碍地自由通过，因为红外光的能量不足以激发硅原子；但如果有两个光子同时撞击到同一个硅原子，硅原子能量增加，进而产生一个新的电子，一部分光能量也会被吸收。尽管一个电子吸收光能的效果有限，但光传输必然意味着大量光信号的连续输入，波导内的电子因此将变得越来越多，这些累积的电子不断吸收光能，最终导致拉曼放大效应不再继续直至逐渐下滑。英特尔的科学家成功地解决了这一新难题，他们在波导周围整合了一个PN结并施加电场，在电场的作用下，波导内产生的自由电子就会被移出光传输区域，这样就有效保持放大效应一直持续。
连续波激光技术的积极意义在于，凭借半导体硅与激光技术的结合，极大程度降低了光通讯的成本。英特尔希望这项技术能够首先应用在远距离通讯领域，制造出低成本的硅光组件，让高性能的光传输技术能够得到更广泛的应用。例如它可以取代铜缆进入局域网领域，甚至于构建全光网络，届时光通信技术将真正走入消费市场。除了积极寻求理论突破外，英特尔的硅光研究（silicon photonics research）项目也不断尝试商业化工作的预研。在过去多年中，研究人员运用累积的技术成果开发出各种各样的整合型光组件，其中不乏令人称道的工程成果。如在2004年，项目组就推出一套可工作在1GHz频率的硅光模块，其数据编码速度比早先的20MHz记录提高了足足50倍。而类似的工作一直都在不间断地进行，英特尔在硅光领域的成果也不断涌现。继连续波激光之后，混合硅激光技术更是将光计算机的梦想大大推进了一大步。
混合硅激光技术方案
在前面的连续波激光项目中，英特尔的研究人员必须借助外部光源才能将红外光导入到硅片内再进行放大，这主要受限于硅材料本身不具自主发光特性。如果这一难题能够获得解决，那么英特尔就能够在计算机系统内部构建光总线。正因为如此，实现硅片自主发光特性被认为是硅光子产业化的最后一道障碍。
英特尔公司与美国加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的研究人员联手攻关这个项目，在今年的9月份，双方宣布研发成功名为“混合硅激光（Hybrid Silicon Laser）”的硅光混合技术，打开了迈向硅光混合计算的大门。混合硅激光技术的关键点是实现磷化铟（Indium Phosphide）与半导体硅的结合，并能够以标准硅工艺进行生产。我们知道，磷化铟被广泛用于光纤通信系统的激光器中，它可以在电压的作用下产生激光，但基于磷化铟的激光器需要逐一进行组合和校准，无法实现计算机产业所要求的大批量、低成本制造。而英特尔与芭芭拉分校的研究人员没有将磷化铟作为独立的激光器，而是将它与硅芯片相结合，这样在连续电压信号的驱动下，磷化铟就产生相应的红外激光信号，通过这样的方式，我们就能够将二进制数据加载到红外激光上，这相当于让硅芯片具备直接输出光信号的能力。与之对应，系统内有一套光传输总线，硅光芯片（比如处理器）输出的光信号经过波导放大后，再通过光总线传送给位于目标端的硅光芯片（比如另一枚处理器），同样，光信号会再度进入目标芯片的波导被放大，然后被还原为二进制电信号参与运算，其运算输出结果则会被再度转成光信号，经波导放大后传回。通过这样的机制，硅芯片间发生的所有数据传输任务都可以借助光技术进行，借此我们能够构建TBps量级的超高带宽总线。
混合硅激光芯片的设计方案非常巧妙，其关键点在于如何将磷化铟材料与半导体硅晶圆有机地结合起来。英特尔与芭芭拉分校的科学家们在此表现出他们的天才设计：用超低温的氧等离子体（带电荷的氧气）在这两种材料表面都形成一层仅有25个原子厚度的薄氧化膜，然后将两者面对面叠放，同时加热加压，这样磷化铟材料的薄氧化膜与硅晶圆的薄氧化膜就像玻璃粘合剂一样熔合，从而将两种材料熔合为一个整体；之后的工序按照传统的半导体制造工艺进行：设计好波导和电压控制器的集成电路图被印刷到硅晶圆上，这样我们就可以制造出硅光混合型芯片。
混合硅激光技术的诞生，标志着一个新时代的开始，电子计算机逐渐朝向光计算机的方向靠拢。对此英特尔公司光子学技术实验室总监马里奥·潘尼西亚（Mario Paniccia）明确指出，混合硅激光技术可令未来计算机内部采用低成本，万亿比特（TB）量级的光学数据通路，并让高性能计算应用迎来一个崭新的时代。尽管这一技术距离商业化还有漫长的距离，但英特尔已经攻克了最关键的难题，剩下的工作没有任何悬念，英特尔期望未来能够在单一硅芯片中集成数十个，甚至数百个混合硅激光器，达成每秒万亿比特的I/O能力。芭芭拉分校电气和计算机工程学教授约翰·鲍尔斯（John Bowers）则强调在成本方面的意义，混合硅激光器能够用于晶圆级、半晶圆级和芯片级的应用，将大规模光学器件与硅平台有机结合起来，最终实现硅光子器件的低成本、大批量制造，这将大幅度降低光传输技术的应用门槛。
光传输与超多核平台的结合
在IDF技术峰会上，英特尔提出的万亿次级研究芯片计划备受瞩目，这一平台将针对未来十年的服务器和超级计算机系统。对此英特尔的首席技术官Justin Rattner解释说：在下一个十年内，网络软件服务将让人们可以从任意一台高性能设备上访问个人数据、媒体和应用，运行高度逼真的3D游戏，分享实时高清视频资料和进行多媒体数据挖掘。这一全新的应用模型要求业界能够提供计算能力达到每秒万亿次浮点运算，每秒万亿字节的内存带宽，每秒万亿比特的I/O能力的服务器系统，而这显然将对现有计算体系提出严峻的挑战。
针对这一需求，英特尔提出了基于Many Core架构的万亿次级研究芯片原型，实验原型包含80个专用途的计算核心（相当于协处理器），运行频率为3.1GHz，80个核心共同发力将能够提供每秒万亿次浮点运算，解决了运算性能方面的问题。其次，该原型芯片的集成电路不再采用平面方式排列，而是设计成特殊的80层8×10块阵列的晶体管，每一层均包含一个专门用途的计算核心和路由逻辑，其中计算核心可高效完成浮点数据的处理，路由逻辑则负责将核心与上下层电路相连，构成一个有机的片上计算网络。第三，硅片原型具有20MB的SRAM高速内存，这些内存与处理器硅晶片堆叠并连接在一起─堆叠设计让计算核心与SRAM内存之间可以拥有数千个连接点，并实现超过每秒万亿字节的传输带宽。最大的困难在于如何构建每秒万亿比特的I/O能力，现在所有的电路总线技术均无法满足要求，但英特尔将硅光子学方面的突破性成果引入到这一系统，让芯片直接集成大量的混合硅激光器，这样就成功解决了巨量I/O吞吐率的难题。
按照计划，英特尔将在2010年左右开始推行Many Core平台，如果混合硅激光技术进展顺利，英特尔会将其整合于Many Core平台，让光传输成为真正的系统中枢。
未来超级计算机对总线技术的要求
在以往，我们谈论总线时总是默认为计算机的内部总线，如串行ATA、PCI Express、HyperTransport、 Redwood等等都属于系统内总线，这种情况在未来将会发生微妙的变化，高速总线的应用领域将大大扩展，除了计算机系统内部，系统与系统的连接、芯片内部不同处理模块之间的连接，都必须借助相应的高速总线，业界显然需要为此做好准备。
芯片/封装内部
多芯片/多核心处理器、尤其是超多核协处理器架构的出现，让CPU内部不同模块间也需要通过超高速总线实现信号传递。在这方面，RISC计算领域已经先行一步，如IBM早在Power 4时代就发展起封装推出MCM多芯片封装模块，该封装内的多枚处理器芯片就拥有高带宽的直连总线，实现高效率的并行任务协同。X86处理器在这方面明显滞后，最早采用类似Power 4 MCM封装模块的产品是英特尔的双核Pentium D，即在一个基板上封装了两枚CPU芯片来实现“双核”，但这两枚CPU芯片并没有总线直连；刚推出的四核Core 2 Quad处理器也是类似的情况。但这种情况只是权宜，英特尔目前在发展CSI总线来解决这一问题，AMD则将HyperTransport总线延伸到封装内部—它的CPU-GPU协处理器平台即采用HyperTransport总线实现互联。
到2010年前后，英特尔将带来Many Core超多核结构，一枚处理器内将集成上百个运算核心，所有的核心必须以一种高效的方式实现内部互联，发展超高速总线就非常迫切，因为如果总线速度不够快、架构不够高效，超多运算核心将难以发挥并行运算的高效能。借助混合硅激光技术，超多核处理器内部便可以采用光传输技术，进而实现TB量级的超高速、无干扰高效数据交换，只有总线传输瓶颈获得解决，超多核处理架构才可能真正发挥出性能优势。
系统内部
在计算机系统内部，PCI Express与HyperTransport总线堪称两大中枢，它们承担着芯片间的数据交换任务，例如芯片组与显卡、I/O扩展设备之间，南北桥芯片之间，处理器与处理器之间，处理器与协处理器之间等等。其中对带宽要求最高的是显卡系统，目前所用的PCI Express X16总线可提供8GBps的双向带宽，但伴随着协处理器架构的发展，主处理器与协处理器之间的数据交换需求将超过现有的图形系统，数十GBps带宽非常必要。到更久远一些的2010年，超多核处理平台将对总线带宽提出更高的要求，现有的高速串行传输技术很可能会遭遇技术瓶颈，例如超高频率下工作的串行总线难以保持信号稳定性，对外部干扰敏感或者自身功耗过高，这些问题都有可能带来巨大的麻烦。同样，改用光传输技术显然可以解决这些问题，借助混合硅激光技术，芯片与芯片之间都可以通过光传输总线进行超高速数据交换，由于光传输不受任何干扰，传输稳定性可得到有效的保障。英特尔所要解决的就是，尽快实现混合硅激光技术的商用化，并制定出相应的技术标准供业界使用。
系统外部
许多超级计算机已经开始采用光纤来连接不同的计算模块，但光纤只是在系统间建立连接（System-to-System），无法让位于不同机箱的处理器实现直连，数据在处理器与光纤接口之间往往还必须通过诸如“前端总线-内存-PCI-X总线-光纤适配卡”的多道转接，导致数据传输延迟很高。显然，在这样的架构下，计算系统很难实现最佳的协作效率，超级计算机之所以难以制造，困难很大程度就在于此。理想的解决方法是开发出一种可用于系统间的直连总线，AMD近期推出的HyperTransport 3.0总线符合此项标准，英特尔也在发展自己的CSI技术，另外值得称道的是IBM的Cell平台，该平台不仅可以建立芯片直连，更可以实现协处理器资源的分布式共享，从而实现运算核心的紧密耦合。
这种架构可以一直沿用到未来的超多核计算时代，但问题在于，现有的电路总线技术很难提供可满足超多核平台的足够带宽。试想一下，假如一枚处理器拥有80个协处理核心，每个核心都要求能与其他处理器的对应核心建立紧密协作关系，高性能、低延迟的点对点直连总线就非常必要；而核心数量如此众多，对总线带宽的要求也会异常苛刻，上百GBps的带宽并不是个奢侈的指标。
在混合硅激光技术发布会上，英特尔表示该技术未来可以同超多核平台完美结合，让每个协处理核心都拥有自己的高速光路传输，并且通过外部光纤直接与其他的超多核系统联结，借此英特尔将构建出具有一流协作效率的超级计算机系统。