你相信光嗎？這個問題有了新答案
半月談記者 張漫子
“你相信光嗎？”如果一位關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年諾貝爾物理學獎頒給“阿秒光脈沖技術”，“如何用光計算”也開始成為業(yè)界學界的重要課題。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“基礎設施”的更新換代？
光子“接棒”電子
不同于較為傳統的電子芯片，光子芯片是一種利用光子特性來計算的新型芯片。
本質上，芯片都要借助半導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)勢顯而易見：傳輸信息具有極快的響應時間，信息容量比電子高3-4個量級，具有極強的存儲、計算乃至并行互聯能力，超低能耗……這些優(yōu)勢在信息產業(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……省去光電轉換，就有可能繞過現有的物理極限，突破芯片的算力瓶頸。目前，這一領域的角逐已在國內外諸多頂尖科研機構之間打響發(fā)令槍。
清華大學光子芯片團隊部分成員合影
今年4月，清華大學研究團隊在國際上首創(chuàng)分布式廣度智能光計算架構，設計出一種面向先進AI任務的光子芯片——“太極”，能量效率超過現有智能芯片2至3個數量級，可為大場景智能分析、大模型訓練推理等任務提供算力支撐。
5月，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的研究團隊開發(fā)出鉭酸鋰異質集成晶圓，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、導電的銅線構成。一枚光子芯片，則由光子晶體管和“導光”的波導構成。波導是傳播光的媒介，例如大家耳熟能詳的光纖，就是一種波導。
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體材料激發(fā)注入電流的電能，從而實現電光轉換。探測器芯片則是通過光電效應識別光信號，將其轉化為電信號。
技術人員探討光芯片生產工藝 魏培全 攝
如何控制光的輸出？最理想的情況，是以光驅動，以光控制的全光晶體管。但目前技術尚不成熟，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動、用電控制的電光混合器件?；诠怆娬{控，清華大學于今年8月推出太極II芯片，在無需GPU的情況下實現了光學神經網絡的在線訓練。
借由電光混合器件，光信號和電信號之間調制、傳輸、解調的全過程集成在一塊襯底上，這就是芯片高速處理數據的基礎。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，芯片可實現完全國產化自主生產。
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，就是超高速數據傳輸?！肮饫w網絡+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實。
圖片由AI生成
光子芯片在其他領域的應用也值得期待。例如，生物醫(yī)學領域，光子芯片可以應用于光學成像和光譜分析，實現對細胞、組織和藥物的快速檢測和分析。環(huán)境監(jiān)測領域，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)境質量效率更高。
光計算芯片，目前正在開始走出實驗室，科學家們的期待是，經過一系列工程化努力，可以穩(wěn)定生產的商用光子芯片能盡快化為現實。那也就意味著，光子芯片的成本已經可為業(yè)界廣泛接受。
過了這幾道關，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。
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