用光纖連接取代銅，兩家初創公司將光纖引入處理器

如果首爾的 CPU 向布拉格的處理器發送一個Byte的資料，這些資訊將會毫無阻礙地光速傳播。但若將這兩個處理器放在同一個主機板上，它們之間的通訊就需要透過耗能的銅來進行，這會降低電腦內部的通訊速率。這一限制存在已久，兩家矽谷初創公司 Avicena 和 Ayar Labs 正在努力打破它。如果他們最後成功地將光纖一路引入處理器，這可能不僅會加速運算，還可能重塑運算。 

兩家公司都在開發用光纖連接的晶片，這是一種小型晶片，可以在共用封裝中與 CPU 和其他需要大量資料的晶片共用高頻寬連接。這兩家公司都將在 2023 年加大產量，儘管搭載這兩款產品的電腦可能還需要幾年時間才能上市。 

Ayar Labs 已經成功地大幅小型化了當今用於透過光纖電纜在資料中心周圍傳輸Bits的各種矽光子元件尺寸，並降低了其功耗。該設備將資料編碼到來自紅外線雷射器的多個波長的光上，並將光透過光纖發送。 

Avicena 晶片的不同之處在於：它使用的不是紅外線雷射，而是由藍色 microLED 製成的微型顯示器發出的普通光。此外，Avicena 的硬體並沒有將所有的光學資料進行多工（這樣資料可以在一根光纖上傳輸），而是透過一根專用光纜的不同路徑並行發送資料。 

Ayar 擁有悠久的歷史，它為客戶提供了一種類似於他們已經在使用的遠距離傳輸資料的技術。但這場競賽中的黑馬 Avicena 受益於微顯示行業的持續發展，該行業預計每年增長 80%，到 2030 年將達到 1230 億美元，與之相關的未來構想充滿了虛擬實境設備，甚至擴增實境隱形眼鏡。 

電信分析公司 LightCounting 的創始人兼首席執行長 Vladimir Kozlov 表示：「這些公司身處風險和創新的兩個極端。」 

MicroLED vs. Infrared Laser

Avicena 公司的矽晶片 LightBundle 由一組氮化鎵 microLED、一組同等大小的光電探測器和一些 I/O 電路組成，以支援與處理器之間的資料通訊。兩條直徑 0.5 毫米的光纜將一個晶片上的 microLED 陣列連接到另一個晶片上的光電探測器，反之亦然。這些電纜 (類似於某些內窺鏡中的成像電纜) 包含一束與晶片陣列對齊的光纖芯，為每個 microLED 提供自己的光路。 

Avicena 的 CEO Bardia Pezeshki 解釋說，除了這種電纜，Avicena 還需要另外兩種東西：「首先，我認為業界最令人驚訝的就是 LED 可以以每秒 10gb 的速度運行。」「這太令人震驚了」，因為僅僅五年前，可見光通訊系統的技術水準還在數百兆赫。但在 2021 年，Avicena 的研究人員發表了一種 microLED，他們稱之為腔增強光學微發射器 (cavity-reinforced optical micro-emitter，CROME)。這些零件是 microLED，透過最小化電容和犧牲一些將電子轉換為光的效率來最佳化開關速度。 

氮化鎵通常不會被整合在矽晶片上用於運算，但由於 microLED 顯示行業的進步，這樣做也沒有什麼困難。為了尋求用於 AR/VR 和其他設備的明亮發射顯示器，蘋果、Google和 Meta 等科技巨頭花費了數年時間來研究如何將已經構建的微米級 LED 轉移到矽和其他表面的精確點上。現在，「每天都有數百萬人這樣做，」Pezeshki 說。Avicena 自己最近從矽谷的鄰居 Nanosys 那裡購買了開發 CROME 的晶圓廠。 

第二個元件是光電探測器。矽不擅長吸收紅外光，因此矽光子系統的設計者通常透過製造相對較大的光電探測器和其他元件來進行補償。但是由於矽很容易吸收藍光，Avicena 系統的光電探測器只需十分之幾微米深，就可以很容易地整合在成像光纖陣列下的晶片中。Pezeshki 稱讚史丹佛大學的 David A.B. Miller 在十多年前證明了藍光探測 CMOS 光電探測器的速度足以完成這項工作。 

Pezeshki 說，成像光纖、藍色 microLED 和矽光電探測器的結合，形成了一個在原型中每秒傳輸 「許多」 太比特的系統。與資料速率同樣重要的是移動一個比特所需的低能量。Pezeshki 說:「如果你看矽光子學的目標值，會發現它們是幾皮焦耳 / 比特，這些都來自那些在商業化方面遠遠領先於我們的公司。」「但我們已經打破了這些記錄。」 在示範中，該系統以每Bits約半皮焦耳的速度移動資料。這家初創公司的第一款產品預計將在 2023 年推出，但不會一直延伸到處理器，而是旨在連接資料中心機架內的伺服器。Pezeshki 還提到，隨之而來的將是晶片到晶片的光學鏈路晶片。 

但是 microLED 資料傳輸的能力有限。由於 LED 光是非相干的，它受到色散效應的影響，將其限制在 10 公尺左右。相比之下，雷射天生擅長遠距離傳輸；Ayar 的 TeraPHY 晶片的覆蓋範圍可達 2 公里，可能比 Avicena 的技術更能顛覆超級電腦和資料中心的架構。Ayar 的 CEO Charlie Wuischpard 表示，他們可以讓電腦製造商徹底地重新審視自己的架構，讓他們能夠製造機架規模的一整個電腦晶片。他說，該公司正在與合作夥伴 GlobalFoundries 一起提高產量，並在 2023 年與合作夥伴一起建造原型機，但這些原型機不太可能公開。 

Kozlov 表示，預計還會出現更多的競爭對手。電腦製造商想要的解決方案需要 「不僅能在未來兩到三年內提供幫助，而且能在未來幾十年內提供可靠的改進。」 畢竟，他們想要替代的銅互連也在不斷改進。 

資料來源：

• TWO STARTUPS ARE BRINGING FIBER TO THE PROCESSOR