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[科技] 光芯片，用光突破计算瓶颈

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阿支 发表于 2024-7-16 17:30:00 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
芯片，又叫做集成电路，在指甲盖大小的空间中，能够包含数十亿的电子元件，形成了极其复杂的电路结构。芯片被用于数据的处理、存储、控制、通信和感知等各个方面，计算机、手机、汽车等设备都依赖芯片来处理数据，执行算法和运行软件程序。面对各种各样的需求，人们制造出了数十万种芯片。
近期，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，在高性能光子芯片制备领域取得了突破性进展，研发了可批量制造的新型光子芯片，相关成果及论文发表在了著名国际期刊《自然》上。
光芯片，用光突破计算瓶颈 第1张图片


芯片内部结构示意 （图片来源：veer图库）

众多芯片中，光芯片大不一样

芯片依赖电子在集成电路中的运行来实现各种复杂的功能，芯片内部存在非常多的导线供电子穿梭。光芯片则是利用光在集成光路中的传输来实现各种复杂的功能，光芯片主要由发光器件（产生光），光波导（引导光传播的装置）组成。
光芯片，用光突破计算瓶颈 第2张图片

光芯片结构示意，条纹结构为光波导组成的光芯片单元 （图片来源：VLC Photonics）

光波导是光在从一种介质传播到另一种介质时偶尔会发生的全反射现象。比如，当光从水传播到空气时，只要光与介质分界面所成角度到达特定范围，就会发生全反射现象，利用该现象能够制成引导光波前进的结构就叫做光波导。
光芯片，用光突破计算瓶颈 第3张图片


光线在玻璃当中不断全反射 （图片来源：wikipedia）

光芯片，用光突破计算瓶颈 第4张图片

通信光缆中的光波导纤维，由玻璃制成 （图片来源：veer图库）

现有芯片的种类和功能已经很完善了，为什么还要用光子芯片来替代传统芯片呢？这是因为芯片的性能已经无法满足人们在高速通信和人工智能方面的需求。
光子芯片的特点

与传统芯片对比，光子芯片如同光纤通信线路对比传统的通信电缆。光纤能够传输更多的数据量，一根光纤所传输的数据量相当于数十根传统信号电缆。
光纤传输中的光信号能够在长距离传输时保持较高的质量，相比之下信号电缆需要消耗更多的能量，且信号质量也会下降。光子芯片在传输速度，能耗方面相比于传统的芯片也有很大的优势。
光芯片，用光突破计算瓶颈 第5张图片

金属制成的通信电缆 （图片来源：veer图库）

光芯片，用光突破计算瓶颈 第6张图片

光纤（光波导）制成的通信光缆 （图片来源：veer图库）

速度快：光的传播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能够传播299792.458千米（传播一个马拉松的距离，光只需要0.0001407秒），相比之下，电信号在电路中的传输速度大约是光速的三分之二到四分之三，随着电路温度的升高，速度还会下降。
微信、支付宝应用的用户数目多达数亿，使用这些软件所产生的数据量是巨大的。海量数据被上传至软件公司建立的数据中心进行处理，数据中心由众多高性能计算机（又叫服务器）组成，服务器之间需要快速交换大量数据。
把服务器比作水缸，水缸间需要通信芯片作为“水管”，将水缸连接在一起，如果水管太细（通信芯片速度无法满足需求），那么水缸的水就无法及时流入或排出，个别水缸水溢出时，也就发生了服务器崩溃（软件没法用了）。光芯片的出现，能够使得服务器之间以及数据中心与外界进行快速的数据交换。
光芯片，用光突破计算瓶颈 第7张图片

光通信芯片及其结构显微图 （图片来源：参考文献2）

能耗低：传统芯片进行运算时，电子在电路中运动会产热，高性能运算芯片的耗电量非常高，目前是制约芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驱动散热部件。为了散热，微软将他们的数据中心建在了海底，利于海水冷却电子设备。
光芯片，用光突破计算瓶颈 第8张图片

被打捞出来检修的水下数据中心 （图片来源：microsoft）

当前，训练人工智能大模型也面临着芯片性能和电力消耗的制约，为了解决这一问题，当前有两种思路。一是光芯片与传统芯片的混合集成，传统芯片作为单个的计算单元，光芯片负责计算单元之间的高速通信桥梁，建立集群运算，有效提高运算速度，同时功耗的增加也在可接受范围内。二是设计制造光计算芯片，突破传统的微电子处理器芯片性能瓶颈。
结语

总而言之，光芯片作为继传统微电子芯片后，信息技术的又一重要支撑，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都极具潜力。
从华人科学家、光纤之父高锟在1966年提出光纤用于长距离通信的理念，到1970年代末光纤开始商业化推广，经历了二十余年，光纤的传输损耗也降低为最初的1%。同样地，光子芯片的实用化与商业化势在必行。
参考文献：
[1] Wang C , Li Z , Riemensberger J ,et al.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing[J].Nature, 2024, 629(8013):784-790.
[2] Meister S ,Bülent Franke, Eichler H J ,et al.Photonic Integrated Circuits for Optical Communication[J].Optik & Photonik, 2012, 7(2):59-62.
[3]S.O.Kasap.光电子学与光子学[专著] : 原理与实践 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].电子工业出版社,2016.
出品：科普中国
作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光机所光学硕士）
监制：中国科普博览
光芯片，用光突破计算瓶颈 第9张图片




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