上世纪中叶，高锟发表名为《光频率介质纤维表面波导》的论文。他创造性的提出，使用基于石英的玻璃纤维作为光传输介质，可以进行长距离的信息传输。由此，光纤逐渐登上历史舞台。和电缆相比，光纤在性能、可靠性、安全性等很多方面都有极大的提升，这也使得光纤成为了现代文明主要的通信介质之一，并引发了一系列通信行业的根本性变革。
在半导体领域，当前芯片间的主要互联方式还是基于电气连接。随着距离的增加，数据传输带宽会急剧下降，而由此带来的能耗则会大幅上升。下图就展示了芯片内部、芯片与电路板、电路板之间等不同维度下，数据传输带来的带宽损失与能耗增长。可以看到，即使在板级通信时采用光缆传输，相比芯片内部的传输速度和能效仍然下降了4个数量级。
近日，一家名为AyarLabs的初创公司展示了一款名为TeraPHY的光学收发器。这个光学收发器以芯粒（chiplet）的形式集成在英特尔Stratix10FPGA上，可以达到2Tbps的数据带宽，传输距离最高可达2公里，而传输功耗则不超过每比特1pJ（10的-12次方）。
动图，左侧是两个光子芯粒，中间是Stratix10
相比之下，目前FPGA使用的PAM4收发器速率最高为58Gbps，NRZ收发器最高速率为30Gbps，而当前电气收发器的路线图也只不过安排到了112Gbps。也就是说，这种光学收发器至少可以取得近20倍的性能提升，传输距离和功耗更不可同日而语，而这也将FPGA收发器的性能带到了一个全新的高度。
AyarLabs与光子芯片
AyarLabs成立于2015年，总部位于美国加州。它是MIT的孵化企业，创始团队大都来自MIT、UCBerkeley等美国顶尖高校。AyarLabs先后获得了英特尔资本、格罗方德（GlobalFoundries）以及洛克希德马丁等公司的数千万美元战略投资。
AyarLabs专攻的主要领域就是芯片级的光子传输，前文提到的TeraPHY就是该公司目前的主打产品。TeraPHY的研发主要得到了美国国防高级研究计划局（DARPA）的项目支持。
AyarLabs在2019年HotChips大会的讲稿幻灯片，已上传至知识星球“老石谈芯-进阶版”，请在文末扫码进入星球查看。
TeraPHY：光电转换的奥秘
光学收发器TeraPHY最重要的技术创新，在于它解决了光信号的“调制”和“解调”两个主要问题。这其中具体的物理学细节在本文不再赘述，下一段中，我尝试简单介绍其中的主要原理，不感兴趣的同学可以直接略过这部分。
简言之，它利用了类似于定向耦合器的原理，当两个光传输介质足够靠近时，其中一个介质里的能量就能耦合到另一个。此时如果在一个介质上加入电场，就可以改变光在这个介质中的传播速度，从而控制光波的相位。通过这个过程，电信号的变化就转变成了光信号的变化。之后当两个介质里的光再次耦合时，由于光波的干涉原理，就会产生不同振幅。如果把波峰看成1，波谷看成0，那光波的不同振幅就可以解码成由0和1组成的数字信号，也就完成了光到电的转换。这个过程就是著名的马赫-曾德尔干涉仪的工作原理。
AyarLabs发明了一种环形谐振器（microringresonator），来实现上述的过程。相比马赫-曾德尔干涉仪，这种环形谐振器的尺寸要小100倍，能效高50倍，数据传输密度也要高25-50倍。通过使用这种装置，可以实现25Gbps到100Gbps的传输带宽。
此外，由于不同波长的光在同一介质里传输时不会相互影响，可以采用多种不同的波长代表不同的比特位，这样就实现了一定程度上的并行数据传输。
下图展示了TeraPHY单个通道的收发过程，可以看到，这里采用了四种不同波长的光。在发送端，利用环形谐振器将不同比特位的数据分别调制到这四种光波上，并利用光纤进行传输。在接收端，再利用环形谐振器进行解调，将不同波长的光信号转化成相应的电信号。
值得注意的是，为了提供稳定的初始光源，AyarLabs还开发了一款名为SuperNova的激光源，它能够提供最多256种波长的光波，等效8.192Tbps的数据带宽。
SuperNova激光源
在HotChips19大会上，AyarLabs公布了一个TeraPHY的测试芯片设计。在发送端，包含5个光学宏单元，每个宏单元支持16个通道，每通道25Gbps带宽，共计2Tbps。
发送端光学宏单元的芯片版图和架构图
在接收端则包含3个宏单元，共计1.2Tbps带宽。
接收端光学宏单元的芯片版图和架构图
光学芯粒与FPGA的异构集成
TeraPHY刚面世时，它被同构集成到一个RISC-VCPU芯片中，并代替了原有的CPUIO收发器。然而，这种同构设计的灵活性十分有限，例如，如果需要把TeraPHY用于其他芯片系统，则需要重新设计和生产整个芯片。
英特尔的Stratix10FPGA中就使用了EMIB技术集成了不同速率的收发器和高带宽存储器（HBM）。此外，EMIB还能用来连接多个FPGA硅片，通过这种方法，英特尔制造出了目前世界上最大的FPGA–Stratix10GX10M。
这样，AyarLabs就将TeraPHY做成了芯粒的形式，它使用了格罗方德的45纳米RFSOICMOS工艺制造，在光学输出端包含10个光学宏单元，最高传输速率可达2.56Tbps。
在电气连接端，使用了名为AIB（AdvancedInterfaceBus）的物理层协议。AIB是英特尔推出的一个异构互联的开放物理层协议，关于它的技术细节在本文不再详述。
最后，TeraPHY与FPGA硅片之间通过EMIB进行互联，并完成芯片封装，这也就是所谓的多芯片封装：Multi-ChipPackage（MCP）。
这是又一个使用EMIB进行快速异构集成的典型实例。通过使用这种方式，不用重新制造完整的芯片，只需要将现有的FPGA芯片与芯粒进行互联和封装即可，极大提升了产品的灵活性，也大大降低了制造风险与成本。
在AyarLabs最新发布的在线演示中，他们使用这个集成了光学收发器的FPGA进行了数据传输演示，并在8个光学链路下得到了2Tbps的数据吞吐量。AyarLabs预计将在未来达到超过100Tbps的吞吐量，同时每比特的传输功耗不超过1pJ。
集成光学收发器的Stratix10FPGA测试板卡，图片来自AyarLabs
结语
制造玻璃的石英和制造芯片的半导体材料都源于沙子。正是这种取之不尽、用之不竭的材料，成为了推动人类文明进步的重要基石。而“点石成金”的背后，则是无数研究者的不断钻研与创新。如今，光和电在FPGA里进行融合，并进一步扩展了数据传输的前景。老石相信，这样的技术创新还会不断涌现，并继续推动技术和文明向前进步。