隨著晶片數量不斷倍增，高速電腦即將發展到需要從晶片直接對晶片進行光傳輸才能有效降低耗電量。2013年 TOP 500桂冠中國天河二號的全運轉功耗即高達24兆瓦；在重新設計晶片並採用更多光傳輸技術後，2016年 TOP 500新科狀元神威太湖之光才將功耗降到 15兆瓦。IBM在 2015年突然大量發表矽光子技術的研究成果，除了喚醒相關領域的同業競合，也暗示將憑藉矽光子技術奪回 TOP 500排名寶座。本文將簡要介紹IBM規劃的矽光子技術發展，並分析未來台灣相關產業可能的機會與挑戰。
光訊號是高速運算提高效能的長久之計
光訊號是高速運算提高效能的長久之計東京工業大學在 2010年秋季的 TOP 500 排名列為世界第四的超級電腦「TSUBAME 2.0」已開始採用 7,000條光纜線；根據該校學術國際資訊中心教授松岡聰預測，2018年之後將可能出現 1,000P FLOPS（1秒內可執行的浮點運算次數單位）的超級電腦，如果採用 2010年的電佈線技術，其耗電量將達到 1 GW，相當於一座典型核電站的發電量。以中國在3年後建製的天河二號耗電量(33.86P FLOPS/24 MW)來看，松岡教授的預測確有其根據。無獨有偶，2011 IBM Printed Circuit Board Symposium 中 TTM Technologies 也有統計資料指出，若將電收發器改成光收發器，5年因訊號傳遞產生的電費可以減少 98%，非常驚人（圖二）。
圖二、光訊號與電訊號的耗電量預測比較
PCB光傳輸技術之成本課題
IBM 曾在 2010年Swisslasernet Workshop 高速運算研發時程規劃上，發表光互連技術（圖三）；當時在各國政策支持下，PCB正如火如荼地導入光互連技術；IBM 樂觀地認為在 2015年 Server板上，IC 可以透過 PCB 內的光回路相互傳遞光訊號。然而，現實反映任何新技術要進入市場，都必須通過降低成本與舊技術反撲的二大考驗，傳統 PCB 製程與精密光傳輸技術的跨界結合，顯然還過不了這二大考驗。
全力擁抱矽光子技術的 IBM
由於雲端運算及大數據應用的發展，資料中心要處理的數據量成長不斷創新高，高效節能的硬體設備將是建造資料中心的首選。超級電腦的效能增加同樣也面臨耗電量大增的問題，著眼未來長期技術發展，在次系統模組導入光傳輸技術以提供更高寬頻交換內部數據的作法已成為主流。
目前如 IBM 等超級電腦製造商已經在商用設備內導入 850 nm波長的多模光纖傳遞訊號，然而，將來當訊號速率超過 25 Gb/s時，多模光纖的光訊號損耗也會大到無法傳送足夠長的距離。為了讓光傳輸更多的資訊，使用長途通訊用之單模光纖技術勢在必行；同時也必須整合光收發元件，利用半導體技術使元件高度集積化，同時達到節省能源與設備空間的雙重效益。
目前高速運算設備內的機台內或機台間的訊號傳輸已經完全由光傳輸取代，早期主要的商業運轉設備之一為 HPC System POWER 775（圖一、圖四）。為了削減占空間的龐大數量光纖（根據 IBM 最新的系統設定，預計 1套超級電腦會使用超過 1百萬條光纖），以及提高傳輸量和降低耗電，IBM在去年發表的研究，集中在如何實現具有模組和模組間光連結功能的商業設備生產（圖五）。唯有將收發光部件大幅減少，並提高系統的堆疊密度，高速運算才能藉由增加運算單元不斷提升效能。為了加速商業化進程，IBM 修正早先在 2015年利用 PCB光回路傳遞 IC 間光訊號的規劃（圖三），改用單模光纖和光波導膜來連結矽光子晶片（圖五、圖六）。目前將……以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、IBM採用有機光波導膜來連結矽光子晶片的技術方案
作者：李文欽、楊偉達 /工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」358期，更多資料請見下方附檔。