你相信光嗎？這個(gè)問題有了新答案

半月談?dòng)浾?張漫子

“你相信光嗎？”如果一位關(guān)心芯片的人向你拋出這個(gè)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(dòng)芯片界的力量了。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給“阿秒光脈沖技術(shù)”，“如何用光計(jì)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(shí)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(jì)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?！肮庾有酒褪抢霉庾觼砩?、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(shì)顯而易見：傳輸信息具有極快的響應(yīng)時(shí)間，信息容量比電子高3-4個(gè)量級(jí)，具有極強(qiáng)的存儲(chǔ)、計(jì)算乃至并行互聯(lián)能力，超低能耗……這些優(yōu)勢(shì)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(shí)代的到來，人們對(duì)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(jì)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(dāng)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(chǎng)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(jī)構(gòu)之間打響發(fā)令槍。

清華大學(xué)光子芯片團(tuán)隊(duì)部分成員合影

今年4月，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在國際上首創(chuàng)分布式廣度智能光計(jì)算架構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種面向先進(jìn)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(gè)數(shù)量級(jí)，可為大場(chǎng)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(tuán)隊(duì)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(yuǎn)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(cè)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(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。探測(cè)器芯片則是通過光電效應(yīng)識(shí)別光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

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(dòng)，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(dòng)、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(shí)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(hào)和電信號(hào)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(shì)，光子芯片的制備僅需百納米成熟工藝，芯片可實(shí)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。“光纖網(wǎng)絡(luò)+光子芯片”，意味著高速通信的全新時(shí)代。此外，光子芯片的抗干擾性能也使得光子雷達(dá)有望成為現(xiàn)實(shí)。

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(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、組織和藥物的快速檢測(cè)和分析。環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，光子芯片可以用于氣體傳感器和污染監(jiān)測(cè)，讓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估環(huán)境質(zhì)量效率更高。

光計(jì)算芯片，目前正在開始走出實(shí)驗(yàn)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(shí)。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(jì)元的金光大道。不過，前景已然可期，畢竟，光就在那里。