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激光芯片

光子芯片,離我們到底還有多遠?

張漫子 來源:半月談2024-12-02 我要評論(0 )   

“你相信光嗎?”如果一位關(guān)心芯片的人向你拋出這個問題,不是他忽然成了奧特曼迷,而是說明,他開始注意到,“光”開始成為攪動芯片界的力量了。2023年諾貝爾物理學(xué)獎...

“你相信光嗎?”如果一位關(guān)心芯片的人向你拋出這個問題,不是他忽然成了奧特曼迷,而是說明,他開始注意到,“光”開始成為攪動芯片界的力量了。

 

2023年諾貝爾物理學(xué)獎頒給“阿秒光脈沖技術(shù)”,“如何用光計算”也開始成為業(yè)界學(xué)界的重要課題。天生神速的光,能否以不可思議的速度,完成人工智能時代智能世界“基礎(chǔ)設(shè)施”的更新?lián)Q代?

 

光子“接棒”電子

 

不同于較為傳統(tǒng)的電子芯片,光子芯片是一種利用光子特性來計算的新型芯片。

 

本質(zhì)上,芯片都要借助半導(dǎo)體材料的物理特性來操控承載信息的微觀粒子,不過不同類型芯片選擇的粒子載體不同。“光子芯片就是利用光子來生成、處理、傳輸并顯示信息?!敝锌苿?chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊說。

 

相較于電子,光子的優(yōu)勢顯而易見:傳輸信息具有極快的響應(yīng)時間,信息容量比電子高3-4個量級,具有極強的存儲、計算乃至并行互聯(lián)能力,超低能耗……這些優(yōu)勢在信息產(chǎn)業(yè)意味著怎樣的潛力,不言而喻。

 

眼下,隨著人工智能時代的到來,人們對算力的需求也水漲船高。然而電子芯片發(fā)展已近于物理和經(jīng)濟成本極限,“摩爾定律失效”之聲不絕于耳。

 

電子芯片以硅為基礎(chǔ)材料,而硅原子的直徑約為0.22納米。當制程降至7納米以下,電子芯片極易出現(xiàn)電涌和電子擊穿問題,意味著我們很難完美控制電子。在2023年興起至今的大模型浪潮中,傳統(tǒng)電子芯片的左支右絀已見端倪。

 

光子芯片則意味著新的曙光。它不僅有望解決電子芯片難以克服的功耗、訪存能力等方面的優(yōu)化難題,還可以催生諸多嶄新應(yīng)用場景。與之相匹配的,則是用光路代替電路,用激光光源代替功率電源……省去光電轉(zhuǎn)換,就有可能繞過現(xiàn)有的物理極限,突破芯片的算力瓶頸。目前,這一領(lǐng)域的角逐已在國內(nèi)外諸多頂尖科研機構(gòu)之間打響發(fā)令槍。

 

 

清華大學(xué)光子芯片團隊部分成員合影

 

今年4月,清華大學(xué)研究團隊在國際上首創(chuàng)分布式廣度智能光計算架構(gòu),設(shè)計出一種面向先進AI任務(wù)的光子芯片——“太極”,能量效率超過現(xiàn)有智能芯片2至3個數(shù)量級,可為大場景智能分析、大模型訓(xùn)練推理等任務(wù)提供算力支撐。

 

5月,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究團隊開發(fā)出鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓,也首先用于制作高性能且可批量制造的光子芯片。

 

光子芯片,真的離我們不遠了嗎?

 

如何“馴服”光?

 

憧憬未來之余,先讓我們多想一想,光子芯片如何工作?

 

一枚電子芯片,由電子晶體管、導(dǎo)電的銅線構(gòu)成。一枚光子芯片,則由光子晶體管和“導(dǎo)光”的波導(dǎo)構(gòu)成。波導(dǎo)是傳播光的媒介,例如大家耳熟能詳?shù)墓饫w,就是一種波導(dǎo)。

 

按照功能,光子芯片可分為激光器芯片和探測器芯片兩類。激光器芯片要借助半導(dǎo)體材料激發(fā)注入電流的電能,從而實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。探測器芯片則是通過光電效應(yīng)識別光信號,將其轉(zhuǎn)化為電信號。

 

 

技術(shù)人員探討光芯片生產(chǎn)工藝 魏培全 攝

 

如何控制光的輸出?最理想的情況,是以光驅(qū)動,以光控制的全光晶體管。但目前技術(shù)尚不成熟,純光子芯片仍處于概念階段,光子芯片的基本器件還是用光驅(qū)動、用電控制的電光混合器件?;诠怆娬{(diào)控,清華大學(xué)于今年8月推出太極II芯片,在無需GPU的情況下實現(xiàn)了光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線訓(xùn)練。

借由電光混合器件,光信號和電信號之間調(diào)制、傳輸、解調(diào)的全過程集成在一塊襯底上,這就是芯片高速處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。得益于光波的波長尺寸優(yōu)勢,光子芯片的制備僅需百納米成熟工藝,芯片可實現(xiàn)完全國產(chǎn)化自主生產(chǎn)。

 

哪里是光子芯片的用武之地?

 

剛才說了,光子芯片有可能突破電子芯片的算力瓶頸。除此之外,它還可以在哪些領(lǐng)域大顯身手呢?

都知道光速是人類已知的宇宙中最快速度,借助光的高速傳輸特性,光子芯片首先令人期待的,就是超高速數(shù)據(jù)傳輸?!肮饫w網(wǎng)絡(luò)+光子芯片”,意味著高速通信的全新時代。此外,光子芯片的抗干擾性能也使得光子雷達有望成為現(xiàn)實。

 

 

圖片由AI生成

 

光子芯片在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也值得期待。例如,生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,光子芯片可以應(yīng)用于光學(xué)成像和光譜分析,實現(xiàn)對細胞、組織和藥物的快速檢測和分析。環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,光子芯片可以用于氣體傳感器和污染監(jiān)測,讓實時監(jiān)測和評估環(huán)境質(zhì)量效率更高。

 

光計算芯片,目前正在開始走出實驗室,科學(xué)家們的期待是,經(jīng)過一系列工程化努力,可以穩(wěn)定生產(chǎn)的商用光子芯片能盡快化為現(xiàn)實。那也就意味著,光子芯片的成本已經(jīng)可為業(yè)界廣泛接受。

 

過了這幾道關(guān),我們才能走上芯片新紀元的金光大道。不過,前景已然可期,畢竟,光就在那里。(來源:半月談 記者:張漫子,原標題:《芯片,透出一縷“光”》)

 

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