"Tror du på lys?" Hvis en chipentusiast stiller deg dette spørsmålet, er det ikke slik at han plutselig er en Ultraman -fan. Det er at han begynner å legge merke til at "lys" begynner å vekke opp chip -verdenen.
Nobelprisen i 2023 i fysikk ble tildelt "Asymmetric Light Pulse Technology", og "How to Use Light to Beregn" har også blitt et viktig tema i bransjen og akademia. Kan lys, som er naturlig rask, fullføre oppgraderingen av "infrastrukturen" i den intelligente verdenen i en tid med kunstig intelligens med en utrolig hastighet?
Fotoner overtar fra elektroner
Sammenlignet med de mer tradisjonelle elektroniske brikkene, er fotoniske brikker en ny type brikker som bruker egenskapene til fotoner for å beregne.
I hovedsak er chips avhengige av de fysiske egenskapene til halvledermaterialer for å manipulere mikroskopiske partikler som har informasjon, men forskjellige typer flis bruker forskjellige partikkelbærere. "Fotoniske brikker bruker fotoner for å generere, behandle, overføre og vise informasjon," sa Lei MI, grunnleggende partner for China Innovation Star.
Sammenlignet med elektroner, er fordelene med fotoner åpenbare: de har en veldig rask responstid for informasjonsoverføring, 3-4 størrelsesordrer høyere informasjonskapasitet enn elektroner, sterk lagring, databehandling og til og med parallelle sammenkoblingsevner, og ultra-lave energiforbruk ... det er selvinnlysende hvilket potensial disse fordelene betyr for informasjonsindustrien.
Nå, med innkomsten av Age of Artificial Intelligence, øker etterspørselen etter datakraft. Imidlertid har utviklingen av elektroniske brikker nådd grensen for fysiske og økonomiske kostnader, og "svikt i Moore's lov" blir stadig hørt.
Elektroniske brikker er basert på silisium, med silisiumatomer som har en diameter på omtrent 0. 22 nanometer. Når prosessen reduseres til under 7 nanometer, er elektroniske brikker svært utsatt for elektriske bølger og problemer med elektron nedbrytning, noe som gjør det vanskelig å kontrollere elektronene perfekt. I bølgen av store modeller som dukket opp i 2023, har manglene ved tradisjonelle elektroniske brikker blitt tydelige.
Photonics Chips innvarsler en ny daggry. De lover ikke bare å møte de uoverkommelige utfordringene med strømforbruk og minnetilgang i elektroniske brikker, men gir også en rekke innovative applikasjonsscenarier. I tråd med dette erstatter optiske stier elektriske kretsløp, og laserkilder tar stedet for strømforsyning ... Ved å eliminere behovet for fotoelektrisk konvertering, er det mulig å omgå eksisterende fysiske grenser og bryte gjennom beregningsflaskehalsen på flis. For øyeblikket har konkurransen på dette feltet allerede begynt blant toppforskningsinstitusjoner både innenlands og internasjonalt.
I april i år var et forskerteam fra Tsinghua University banebrytende for en distribuert bredde intelligent optisk databehandlingsarkitektur i verden. De designet en fotonisk brikke -- "taiji" for avanserte AI -oppgaver, som har en energieffektivitet 2 til 3 størrelsesordrer høyere enn for eksisterende intelligente brikker, og kan gi datastøtte for oppgaver som intelligent analyse av store scener og trening og resonnement av store modeller.
I mai utviklet et forskerteam ved Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology fra Chinese Academy of Sciences en litium tantalate hetero-integrerte wafer, som også ble brukt for første gang for å lage høy ytelse og masseproduserte fotoniske chips.
Er fotonbrikken virkelig ikke langt unna?
Hvordan temme lys?
I tillegg til å se frem til fremtiden, la oss tenke mer på hvordan fotonikkbrikker fungerer?
En elektronisk brikke består av en elektronisk transistor og en ledende kobbertråd. En fotonisk brikke består av en fotonisk transistor og en bølgeleder som leder lys. Bølgelederen er mediet for lysutbredelse, for eksempel den kjente optiske fiberen.
I henhold til deres funksjoner kan fotoniske brikker deles inn i to kategorier: laserbrikker og detektorbrikker. Laserbrikker må bruke den elektriske energien til injisert strøm med halvledermaterialer for å realisere konvertering av elektrisitet og lys. Detektorbrikker identifiserer optiske signaler gjennom fotoelektrisk effekt og konverterer dem til elektriske signaler.
Hvordan kontrollere lysutgangen? Ideelt sett ville det være en fullstendig optisk transistordrevet og kontrollert av lys. Imidlertid er teknologien ennå ikke moden; Rene fotoniske brikker er fremdeles i det konseptuelle stadiet, og de grunnleggende komponentene i fotoniske brikker er fremdeles elektrooptiske hybridenheter som bruker lys for kjøring og strøm for kontroll. Basert på optoelektronisk modulasjon lanserte Tsinghua University Taiji II -brikken i august i år, og oppnådde online trening av optiske nevrale nettverk uten behov for en GPU.
Gjennom integrering av elektrooptiske hybridenheter er hele prosessen med modulering, overføring og demodulering mellom optiske signaler og elektriske signaler integrert på et enkelt underlag. Dette danner grunnlaget for høyhastighets databehandling i brikker. Takket være bølgelengdestørrelsesfordelen med lysbølger, kan fotoniske brikker fremstilles ved hjelp av modne prosesser med bølgelengder så små som hundre nanometer, noe som muliggjør fullstendig innenlandsk produksjon av disse brikkene.
Hvor skal Photons -brikkene brukes?
Som sagt, fotoniske brikker har potensial til å bryte gjennom beregningskraftflaskehalsen av elektroniske brikker. I tillegg, hvilke andre områder kan de brukes?
Det er velkjent at lysets hastighet er den raskeste kjent i universet. Å utnytte høyhastighetsoverføringsegenskapene til lys, det første som kommer til tankene med fotoniske brikker er ultrahøy hastighet dataoverføring. "Fiber Optic Network + Photonic Chip" betyr en ny epoke med høyhastighetskommunikasjon. Dessuten gjør interferensmotstanden til fotoniske brikker også det mulig for fotonisk radar å bli en realitet.
Bruken av fotoniske brikker i andre felt er også lovende. For eksempel kan fotoniske brikker i biomedisin brukes til optisk avbildning og spektroskopisk analyse, noe som muliggjør rask påvisning og analyse av celler, vev og medisiner. Ved miljøovervåking kan fotoniske brikker brukes på gasssensorer og forurensningsovervåking, noe som gjør overvåking og vurdering av sanntid av miljøkvalitet mer effektiv.
Optiske databehandlingsbrikker begynner å flytte ut av laboratoriet, og forskere håper at etter en serie ingeniørinnsats, kan kommersielle fotoniske brikker produseres på en stabil måte så snart som mulig. Det betyr at kostnadene for fotoniske brikker kan aksepteres allment av industrien.
