光电子芯片技术的原理和优势是什么？如何取代传统的 I/O 形式？

据外媒报道，光芯片互连技术初创企业Ayar Labs再获B轮融资，融资金额达到3500万美元。

Ayar Labs 是一家旨在利用新颖的硅处理技术，来开发基于光学互联的高速、高密度、低功耗“小芯片”的初创企业。尽管晶体管的制程仍在不断缩减，但晶体管之间的铜互连，依然是电子产业发展时面临的一个主要障碍。而 Ayar Labs 的技术攻关方向，就是要取代传统的 I/O 形式。

据悉，基于铜互连的电阻电容延迟（RC delay），正在妨碍晶体管的尺寸收缩和速度提升。即便采用了基于屏蔽材料的绝缘体，铜在微观尺度下仍不够可靠。

Ayar Labs 由 Alex Wright-Gladstein、Chen Sun 和 Mark Wade 于 2015 年共同创立，旨在开发利用光（而不是通过铜线传输的电信号）将数据在芯片之间进行传输的新产品。

该公司宣称其解决方案源于 MIT 十年的研究合作，融汇了加州大学伯克利分校、科罗拉多大学和博尔德大学在半导体功率 / 性能改进等方面的技术攻关经验，并且受到了 Lightelligence、LightOn 和 Lightmatter 等初创公司的研究激励。

Ayar Labs 联合创始人（图 via VentureBeat）

与传统电信号传输方案相比，Ayar Labs 的小芯片和多波长激光器不仅产生更少的热量、信号传输的延时更低，且不易受到温度、磁场、噪声变化等情况的影响。

此外这些小芯片可将互连带宽密度提升 1000 倍、同时功耗仅为 1/10，很适合 AI、云、高性能计算、5G、激光雷达等新系统架构的采用。

举个例子，得益于多端口设计（八个光通道），Ayar Labs 的 TeraPhy 小芯片，理论上能够达成数十 TB/s 的带宽。同时这些 TeraPhy 具有高带宽的电接口，以便同硅芯片转接。

Ayar Labs 还设计了一款被称作 SuperNova 的光源，这种光子集成电路可产生 8 / 16 路波长的光信号，支持多路复用、功率分配、以及放大至 8 / 16 路端口输出。

该公司宣称，SuperNova 可提供 256 个数据通道的光信号，最高带宽相当于 8.192 TB/s 。

对于系统集成商来说，这种智能光学 I/O 小芯片使之能够专注于核心功能的集成和制程工艺发展，同时将 I/O 任务交给低功耗、高吞吐量的光学小芯片上，最终实现逻辑与物理连接相融合的新系统形态。

最后本次 B 轮融资由 Downing Ventures、BlueSky Capital 领衔，新投资者包括 Applied Applieds、Castor Ventures、Downing Ventures 和 SGInnovate 联手共同领导，最终再获3500万美元融资。

现有投资者还包括 BlueSky Capital、Founders Fund、GlobalFoundries、Intel Capital、Lockheed Martin Ventures 和 Playground Global，目前总部位于加州圣克拉拉的 Ayar Labs 的融资总额已超过 6000 万美元。

关于光芯片的发展进程

初创公司Ayar Labs结合光学和电子学技术，研制出了速度更快、效率更高的新型光电子芯片，有望提升计算速度，将大型数据中心的带宽提高10倍，并使芯片间通信耗能减少95%，将总能耗降低30%—50%。

实际上，2015年，美国三所大学的研究人员就开发出一款光子芯片，它可以用光来传输数据，速度比过去的芯片大幅提升，能耗也大大减少。

研究者宣称这是第一款成熟的、用光传输数据的处理器。芯片每平方毫米处理数据的速度达到300Gbps，比现有的标准处理器快10倍甚至50倍。

研究人员用7000万个晶体管和850个光子元件（用来发送和接收光）组成2个处理器内核，整个芯片只有3×6毫米大。在20世纪40年代时，电脑和房间一样大，今天的电脑与那时的电脑已经有了很大的不同，但它们传输数据的方式是一样的，都是在金属线中传递电子信号。英特尔和IBM等芯片企业都已经在研究硅光子(Silicon Photonics)，但至今无法真正用在商业上。

美国科罗拉多大学Berkeley校区、麻省理工学院、科罗拉多大学Boulder校区的研究人员开发出第一款光子芯片是重大的突破。在今天的电脑和智能手机中，电信号在金属线中传输，它将处理器、内存、网络、存储设备、USB接口等连接起来。在国家与国家之间则用光纤连接。光纤可以传输海量数据，但它的造价太贵。

美国大学的研究人员希望能改变这一切，他们将电子组件直接安装在芯片中，并用来传送和接受光信号。芯片制造设备和硅元件都可以用这种方法生产，如此一来，光芯片就可以轻易普及到计算基础设施之中。研究人员已经在室验室制作出原型产品，如果产品可以走向市场，消费者将大大受益。数据中心内安装成千上万的服务器，硅光子技术可以提升运算速度；在个人电脑和智能手机上，硅光子可以打破性能瓶颈，同时又不牺牲电池续航时间。

今天的计算产业普遍面临一个问题：无法让芯片运算得更快，硅光子却没有这样的困扰，它不需要芯片运算得更快。相反，研究人员会让硅芯片一直输送数据且不会闲置，从而有效提升整体性能。负责芯片开发的副教授Vladimir Stojanovic说，开发出第一款能在外部世界通信的光芯片是重大突破，至于商业化，最大的挑战在于找到廉价的方法封装芯片。他认为，出于成本考虑，光芯片技术最先会用在数据中心中，然后才能进入到小设备。

Stojanovic还说：“我们预计封装芯片最先会进入数据中心，然后它会变得足够便宜，最终在手机和PC中普及。”研究人员的构想并非是纯粹的创意，已经有两家创业公司参与到光芯片的商业化运动之中。一家是Ayar Labs，它希望将光子互连技术商品化，还有一家是SiFive，它们希望在免费的RISC-V芯片设计方案上建立新业务。

在不久的将来，Stojanovic预计光子将可以连接电脑内的独立芯片，将一颗芯片与另一颗芯片相连。除此之外，硅光子技术还可以改进激光雷达的性能，无人驾驶汽车的激光传感器、脑显像和环境传感器的性能都会大大提升。硅光子有望重新改写历史，彻底改变电脑组合的方式。电信号传输受到了线缆长度的制约，例如，当标准USB连接的传输速度提高10倍时，最大线缆长度从16英尺降到了10英气。光连接却不会出现这样的问题，它的速度更快，信号不会衰减，美国大学展示的原型芯片是用10米的光连接的，它可以轻易扩展到千米。有了硅光子芯片，数据中心的电脑不必浪费时间等待另一台电脑的响应。

Stojanovic说：“我们的光解决方案可以让处理器更快接入网络。”电信号通过金属线传输，光连接只需要小小的能量就行了，芯片自己就能供应能量，这样可以节省电的成本，也不会存在电子元件过热的问题。原型芯片是用不常见的材料制作的，它将硅和锗结合，制造过程很困难，成本也很高。但最近一段时间，研究人员取得了进步，他们改良了硅光子技术，在芯片中使用了更多的硅材料。