本屆盛會圍繞著高性能計算技術的研究進展與發展趨勢、高性能計算的重大應用等主題展開，促進信息化與工業化的深度融合，為相關領域的學者提供交流合作、發布最前沿科研成果的平臺，推動中國高性能計算的發展。本次會議邀請了美國HPC Advisory Council的加盟，還邀請國內外知名超算中心主任參加，并舉行“云計算”、“大科學工程中的高性能計算”論壇。中科院半導體研究所研究員俞育德在論壇是作題為《光互連用硅基光子器件與光子集成的現狀和發展趨勢》報告。

 

 

中科院半導體研究所研究員 俞育德

 

　　光子學是一門研究光子的產生和運動特性、光子同物質的相互作用及其應用的前沿學科，硅光子學專門研究硅以及硅基異質結材料（諸如sige/si、soi等）等介質材料中光子的行為和規律，著重研究硅基光子器件的工作原理、結構設計與制造以及在光通信、光計算等領域中的實際應用。《硅光子學》共19 章，分別介紹硅基光子學基礎、應用和發展趨勢；硅基異質結構和量子結構的物理性質、制備方法；硅基光子器件，包括硅基發光器件、探測器、光波導器件；硅基光子晶體、硅基光電子集成、硅基光互連以及硅基太陽能電池。

 

 

　　對于光互聯，俞育德說，未來十年的高性能計算機將由電互聯技術向光互聯技術方向轉變，其原因是光互聯可以將芯片之間的互聯距離拉近，而且具有低延遲、多路信號和低功耗等優勢。

 

　　對于光子集成的要求和發展俞育德提出了四點趨勢。

 

　　1、 傳輸波長的選擇

 

　　光纖通信的波長是由光纖的傳輸窗口決定的，光互聯的波長則由光波導的波長來優選。因此光波導的材料、結構和特性將在光互聯應用中處于決定性的位置。顯然，1.55和2.3微米波段具有許多優勢。

 

　　2、 超高速的要求

 

　　目前電互聯中電子器件的速率為10Gb/s左右，并行運算的計算機整機的速率已達到千萬億次的高速率。

 

　　進一步對器件的需求是100Gb/s的高速率。光互聯的超高速率目標位：2015年和2022年終的I/O速率將分別達到82Tbit/s和230Tbit/s.

 

　　3、 低功耗的要求

 

　　信息網絡中，Pb/s量級節點的年耗電量將超過1000億度，比三峽大壩滿負荷發電量還有。為了在足夠低的芯片能耗下實現高比特率，要求片外總消耗量~50-170fj/b，器件能量~2-30fj/b，片上總能耗~10-30fj/b，器件能量~2-6fj/b.這些指標比當前的器件水平低3-5個能量數。

 

　　4、 集成技術的途徑

 

　　硅光子學的出現給光子集成帶來了希望。成熟的CMOS工藝提供了極好的技術基礎，Si、SOI和SiGe等同CMOS兼容，因此應用CMOS工藝制造光子集成回路是最佳的選擇和比由之路。

 

 

　　硅基半導體是現代微電子產業的基石，但其發展已接近極限。而光電子技術則正處在高速發展階段，現在的半導體發光器件多利用化合物材料制備，與硅微電子工藝不兼容，因此，將光子技術和微電子技術集合起來，發展硅基光電子科學和技術意義重大。近年來，硅基光電子的研究在國內外不斷取得引人注目的重要突破，世界各發達國家都把硅基光電子作為長遠發展目標。

 

　　隨著微處理器性能呈指數增長，以及超大規模集成電路技術日益逼近它的極限，計算機系統內部通信速度和帶寬落后于處理器芯片運算速度的趨勢日益擴大，銅互連將成為計算機系統整體性能提升的瓶頸。以實現硅基光電集成為目標的硅基光子學的不斷成熟有望解決這一難題。

 

 

　　在超級計算機之外也存在耗電量將成為大問題的用途。這就是通信網絡。雖然其大部分已在使用光通信，但在實施IP數據包路徑控制的路由器內部卻進行著“光電或電光間的轉換”以及“利用電信號進行IP數據包處理”。據NTT微系統集成研究所介紹，日本通信網絡的路由器耗電量目前占日本總耗電量的約1%。

 

　　硅光子技術的定位已開始大幅變化。原來的光布線及光路以通過光來接替實施電布線無法實現的長距離數據傳輸的形式實現實用化。也就是說，光布線的實用化將按照通信網絡到服務器機殼間的連接，再到基板間及基板內的順序推進，而硅光子排在最后，一直被認為是僅對高性能處理器的芯片內部進行處理的技術。

 

 

　　以基于硅光子技術的IC實用化為契機，研發體制也發生了變化。以往的研發總的來說是以學術機構為中心推進的，而如今正在走向以廠商主導的實用化為目標的真正形式。其中尤其要提到的是意在通過硅光子技術使處理器性能得以飛躍性提高的技術開發，在國家支援體制下，日美歐廠商及研究機構展開了激烈競爭。