IBM（InternationalBusinessMachines）的科學(xué)家首次揭示他們朝通過(guò)光脈沖（pulsesoflight）進(jìn)行通信的微型硅電路（tinysiliconcircuit）取代通過(guò)銅線（copperwire）在電腦芯片（computerchip）間進(jìn)行通信的電信號(hào)（electricsignal）這一方向邁出了顯著性的一步。隨著這項(xiàng)研究在科學(xué)雜志《自然》（Nature）的最新一期上發(fā)表，這將是改變電腦芯片間通信方式的一個(gè)重要進(jìn)步。

    這種被稱(chēng)為納米光子雪崩光電探測(cè)器（nanophotonicavalanchephotodetector）的設(shè)備，是同類(lèi)設(shè)備中最快速的，并且在高能效計(jì)算方面實(shí)現(xiàn)了突破；同時(shí)將對(duì)電子產(chǎn)業(yè)的未來(lái)產(chǎn)生重要影響。

    這種IBM的設(shè)備探測(cè)了鍺（Germanium）的“雪崩效應(yīng)”（avalancheeffect），鍺是一種目前被廣泛用于微處理器芯片（microprocessorchip）產(chǎn)品的材料。像陡峭山坡上的雪崩一樣，一束入射光的脈沖最初僅僅釋放少數(shù)的電荷載（chargecarrier），這些電荷載子再輪流釋放其他的載子，直到原始信號(hào)被放大很多次。常規(guī)的雪崩光電探測(cè)器無(wú)法快速檢測(cè)光信號(hào)，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)雪崩效應(yīng)的過(guò)程太緩慢。

    “這一創(chuàng)新使得我們對(duì)芯片上的光學(xué)互聯(lián)（on-chipopticalinterconnections）的想象更接近現(xiàn)實(shí)，”IBM研究科學(xué)與技術(shù)部副總裁陳博士（Dr.T.C.Chen）說(shuō)。“通過(guò)嵌入處理器芯片的光通信，建立Exaflop（1018次，是千萬(wàn)億次petaflop的1000倍）級(jí)水平的高效能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的愿景將在不太遙遠(yuǎn)的未來(lái)實(shí)現(xiàn)。”

    IBM展示的雪崩光電探測(cè)器是世界上同類(lèi)設(shè)備中最快速的設(shè)備。它能夠接收到高達(dá)400億比特每秒（40Gbps）速度的光信號(hào)，并且同時(shí)將速度提高10倍。此外，這種設(shè)備只需要1.5伏的電壓供應(yīng)就能運(yùn)行，這比之前展示的產(chǎn)品的耗電量小20倍。因此很多這類(lèi)微型通信設(shè)備可能僅需一節(jié)小型的五號(hào)電池（AA型，電壓1.5伏）就可以工作，而傳統(tǒng)的雪崩光電探測(cè)器需要20-30伏的電量供應(yīng)。

    “這一顯著性提高之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)槲覀冊(cè)趦H僅幾十個(gè)原子的水平上來(lái)操控原子的光學(xué)與電子特性，進(jìn)而很好地實(shí)現(xiàn)了超出接受邊界以外的性能，”這篇論文的領(lǐng)銜作者阿塞法博士（Assefa）說(shuō)。“這些微型設(shè)備具備探測(cè)非常微弱的光脈沖、并且以前所未有的帶寬將它們放大、同時(shí)使額外產(chǎn)生的不必要的噪聲最小化的能力。”

    IBM的這種設(shè)備中，雪崩倍增（avalanchemultiplication）能夠在僅僅幾十納米（10億分之一米）的水平非?？焖俚匕l(fā)生。這種微小的型號(hào)也意味著，與常規(guī)的雪崩光電探測(cè)器相比倍增的噪聲減弱了50%至70%。IBM的設(shè)備由硅（Silicon）和鍺制造，這些材料已經(jīng)被廣泛用于微處理器芯片產(chǎn)品中。而且它是采用芯片制造所采用的標(biāo)準(zhǔn)流程制造的。所以，數(shù)以千計(jì)的這類(lèi)設(shè)備能夠通過(guò)使用為芯片上光學(xué)通信的高帶寬而設(shè)計(jì)的硅晶體管（silicontransistors）并行地進(jìn)行生產(chǎn)。

    這種雪崩光電探測(cè)器的成就，是IBM研究中此前一系列報(bào)告中的最新一個(gè)，也是為建立芯片上互聯(lián)（on-chipinterconnects）所必需完成的“納米光子工具箱”（nanophotonicstoolbox）設(shè)備開(kāi)發(fā)的最后一塊拼圖。

在2006年12月，IBM的科學(xué)家展示了硅納米光子延遲（siliconnanophotonicdelayline），它能夠?qū)饷}沖中一字節(jié)的信息編碼進(jìn)行緩沖——這是為芯片上光學(xué)通信建立光學(xué)緩沖的必要條件。

在2007年12月，IBM的科學(xué)家宣布開(kāi)發(fā)出了一種超小型硅電光調(diào)制器（ultra-compactsiliconelectro-opticmodulator），這種調(diào)制器能夠?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成光脈沖，這也是實(shí)現(xiàn)芯片上光學(xué)通信的一個(gè)前提條件。

    在2008年3月，IBM的科學(xué)家宣布他們?yōu)樾酒瞎鈱W(xué)通信中的“交通指揮”（directingtraffic）開(kāi)發(fā)出了世界上最小的納米光子開(kāi)關(guān)（nanophotonicswitch），以確保光信息能夠被高效率地路由。

    這項(xiàng)研究的報(bào)告，題為“為納米光子芯片上光學(xué)互聯(lián)重塑鍺雪崩光電探測(cè)器”（ReinventingGermaniumAvalanchePhotodetectorforNanophotonicOn-chipOpticalInterconnects），由位于紐約約克敦海茨（YorktownHeights）的IBM沃森研究中心（IBM’sT.J.WatsonResearchCenter）的科學(xué)家所羅門(mén)·阿塞法（SolomonAssefa）、夏豐年（FengnianXia；音譯）和尤里·弗拉索夫（YuriiVlasov）發(fā)表在科學(xué)雜志《自然》2010年3月刊上。

    IBM在為幫助提高性能、同時(shí)減小型號(hào)與能量消耗而開(kāi)創(chuàng)先進(jìn)的硅技術(shù)方面已有很長(zhǎng)的歷史。這些進(jìn)展包括世界上第一個(gè)基于銅的微處理器（copper-basedmicroprocessor）的開(kāi)發(fā)；硅絕緣體（silicon-on-insulator，簡(jiǎn)稱(chēng)SOI），一種降低能量消耗同時(shí)通過(guò)使芯片上上百萬(wàn)的晶體管絕緣而增加性能的技術(shù)；以及應(yīng)變硅（strainedsilicon），一種“拉長(zhǎng)”硅內(nèi)部的材料進(jìn)而減少阻力并且加快晶體管間電子流動(dòng)的技術(shù)。