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光芯片,用光突破計算瓶頸!

中國科普博覽
原創(chuàng )
中國科協(xié)、中科院攜手“互聯(lián)網(wǎng)+科普”平臺,深耕科普內容創(chuàng )作
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出品:科普中國

作者:海里的咸魚(yú)(中國科學(xué)院長(cháng)春光機所光學(xué)碩士)

監制:中國科普博覽

編者按:為了解前沿科技動(dòng)態(tài),科普中國前沿科技項目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章,精選權威期刊的優(yōu)秀論文,第一時(shí)間用通俗語(yǔ)言進(jìn)行解讀。讓我們透過(guò)頂刊之窗,拓寬科學(xué)視野,享受科學(xué)樂(lè )趣。

芯片,又叫做集成電路,在指甲蓋大小的空間中,能夠包含數十億的電子元件,形成了極其復雜的電路結構。芯片被用于數據的處理、存儲、控制、通信和感知等各個(gè)方面,計算機、手機、汽車(chē)等設備都依賴(lài)芯片來(lái)處理數據,執行算法和運行軟件程序。面對各種各樣的需求,人們制造出了數十萬(wàn)種芯片。

近期,由中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所(上海微系統所)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院組成的合作團隊在國際上另辟蹊徑,在高性能光子芯片制備領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展,研發(fā)了可批量制造的新型光子芯片,相關(guān)成果及論文發(fā)表在了著(zhù)名國際期刊《自然》上。

芯片內部結構示意

(圖片來(lái)源:veer圖庫)

眾多芯片中,光芯片大不一樣

芯片依賴(lài)電子在集成電路中的運行來(lái)實(shí)現各種復雜的功能,芯片內部存在非常多的導線(xiàn)供電子穿梭。光芯片則是利用光在集成光路中的傳輸來(lái)實(shí)現各種復雜的功能,光芯片主要由發(fā)光器件(產(chǎn)生光),光波導(引導光傳播的裝置)組成。

光芯片結構示意,條紋結構為光波導組成的光芯片單元

(圖片來(lái)源:VLC Photonics)

光波導是光在從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)偶爾會(huì )發(fā)生的全反射現象。比如,當光從水傳播到空氣時(shí),只要光與介質(zhì)分界面所成角度到達特定范圍,就會(huì )發(fā)生全反射現象,利用該現象能夠制成引導光波前進(jìn)的結構就叫做光波導。

光線(xiàn)在玻璃當中不斷全反射

(圖片來(lái)源:wikipedia)

通信光纜中的光波導纖維,由玻璃制成

(圖片來(lái)源:veer圖庫)

現有芯片的種類(lèi)和功能已經(jīng)很完善了,為什么還要用光子芯片來(lái)替代傳統芯片呢?這是因為芯片的性能已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們在高速通信和人工智能方面的需求。

光子芯片的特點(diǎn)

與傳統芯片對比,光子芯片如同光纖通信線(xiàn)路對比傳統的通信電纜。光纖能夠傳輸更多的數據量,一根光纖所傳輸的數據量相當于數十根傳統信號電纜。

光纖傳輸中的光信號能夠在長(cháng)距離傳輸時(shí)保持較高的質(zhì)量,相比之下信號電纜需要消耗更多的能量,且信號質(zhì)量也會(huì )下降。光子芯片在傳輸速度,能耗方面相比于傳統的芯片也有很大的優(yōu)勢。

金屬制成的通信電纜

(圖片來(lái)源:veer圖庫)

光纖(光波導)制成的通信光纜

(圖片來(lái)源:veer圖庫)

速度快:光的傳播速度是自然界中最快的,光在真空中每秒能夠傳播299792.458千米(傳播一個(gè)馬拉松的距離,光只需要0.0001407秒),相比之下,電信號在電路中的傳輸速度大約是光速的三分之二到四分之三,隨著(zhù)電路溫度的升高,速度還會(huì )下降。

微信、支付寶應用的用戶(hù)數目多達數億,使用這些軟件所產(chǎn)生的數據量是巨大的。海量數據被上傳至軟件公司建立的數據中心進(jìn)行處理,數據中心由眾多高性能計算機(又叫服務(wù)器)組成,服務(wù)器之間需要快速交換大量數據。

把服務(wù)器比作水缸,水缸間需要通信芯片作為“水管”,將水缸連接在一起,如果水管太細(通信芯片速度無(wú)法滿(mǎn)足需求),那么水缸的水就無(wú)法及時(shí)流入或排出,個(gè)別水缸水溢出時(shí),也就發(fā)生了服務(wù)器崩潰(軟件沒(méi)法用了)。光芯片的出現,能夠使得服務(wù)器之間以及數據中心與外界進(jìn)行快速的數據交換。

光通信芯片及其結構顯微圖

(圖片來(lái)源:參考文獻2)

能耗低:傳統芯片進(jìn)行運算時(shí),電子在電路中運動(dòng)會(huì )產(chǎn)熱,高性能運算芯片的耗電量非常高,目前是制約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驅動(dòng)散熱部件。為了散熱,微軟將他們的數據中心建在了海底,利于海水冷卻電子設備。

被打撈出來(lái)檢修的水下數據中心

(圖片來(lái)源:microsoft)

當前,訓練人工智能大模型也面臨著(zhù)芯片性能和電力消耗的制約,為了解決這一問(wèn)題,當前有兩種思路。一是光芯片與傳統芯片的混合集成,傳統芯片作為單個(gè)的計算單元,光芯片負責計算單元之間的高速通信橋梁,建立集群運算,有效提高運算速度,同時(shí)功耗的增加也在可接受范圍內。二是設計制造光計算芯片,突破傳統的微電子處理器芯片性能瓶頸。

結語(yǔ)

總而言之,光芯片作為繼傳統微電子芯片后,信息技術(shù)的又一重要支撐,光子芯片在功耗,速度,尺寸等方面都極具潛力。

從華人科學(xué)家、光纖之父高錕在1966年提出光纖用于長(cháng)距離通信的理念,到1970年代末光纖開(kāi)始商業(yè)化推廣,經(jīng)歷了二十余年,光纖的傳輸損耗也降低為最初的1%。同樣地,光子芯片的實(shí)用化與商業(yè)化勢在必行。

參考文獻:

[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.光電子學(xué)與光子學(xué)[專(zhuān)著(zhù)] : 原理與實(shí)踐 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].電子工業(yè)出版社,2016.

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評論
演繹無(wú)限精彩!
大學(xué)士級
光子芯片作為繼傳統芯片后的又一重要技術(shù)支撐,展現出巨大的潛力。未來(lái)的科技世界,光子芯片或將成為主流,徹底改變我們對計算和通信的認知。
2024-07-06
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太傅級
向為國家發(fā)展壯大做出重大貢獻的科學(xué)家和科技人員致敬
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大學(xué)士級
中國“光芯片”破繭而出,打破科技壁壘,將尖端科技牢牢掌握在自己手中,終將引領(lǐng)世界,這就是中國的科學(xué)精神!
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