光芯片，用光突破計算瓶頸！

出品：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學(xué)院長春光機(jī)所光學(xué)碩士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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芯片，又叫做集成電路，在指甲蓋大小的空間中，能夠包含數(shù)十億的電子元件，形成了極其復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。芯片被用于數(shù)據(jù)的處理、存儲、控制、通信和感知等各個方面，計算機(jī)、手機(jī)、汽車等設(shè)備都依賴芯片來處理數(shù)據(jù)，執(zhí)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(shù)十萬種芯片。

近期，由中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（上海微系統(tǒng)所）、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院組成的合作團(tuán)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)表在了著名國際期刊《自然》上。

芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

（圖片來源：veer圖庫）

眾多芯片中，光芯片大不一樣

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

光芯片結(jié)構(gòu)示意，條紋結(jié)構(gòu)為光波導(dǎo)組成的光芯片單元

（圖片來源：VLC Photonics）

光波導(dǎo)是光在從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時偶爾會發(fā)生的全反射現(xiàn)象。比如，當(dāng)光從水傳播到空氣時，只要光與介質(zhì)分界面所成角度到達(dá)特定范圍，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象，利用該現(xiàn)象能夠制成引導(dǎo)光波前進(jìn)的結(jié)構(gòu)就叫做光波導(dǎo)。

光線在玻璃當(dāng)中不斷全反射

（圖片來源：wikipedia）

通信光纜中的光波導(dǎo)纖維，由玻璃制成

（圖片來源：veer圖庫）

現(xiàn)有芯片的種類和功能已經(jīng)很完善了，為什么還要用光子芯片來替代傳統(tǒng)芯片呢？這是因為芯片的性能已經(jīng)無法滿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

與傳統(tǒng)芯片對比，光子芯片如同光纖通信線路對比傳統(tǒng)的通信電纜。光纖能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)量，一根光纖所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當(dāng)于數(shù)十根傳統(tǒng)信號電纜。

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

金屬制成的通信電纜

（圖片來源：veer圖庫）

光纖（光波導(dǎo)）制成的通信光纜

（圖片來源：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，隨著電路溫度的升高，速度還會下降。

微信、支付寶應(yīng)用的用戶數(shù)目多達(dá)數(shù)億，使用這些軟件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是巨大的。海量數(shù)據(jù)被上傳至軟件公司建立的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)中心由眾多高性能計算機(jī)（又叫服務(wù)器）組成，服務(wù)器之間需要快速交換大量數(shù)據(jù)。

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(xì)（通信芯片速度無法滿足需求），那么水缸的水就無法及時流入或排出，個別水缸水溢出時，也就發(fā)生了服務(wù)器崩潰（軟件沒法用了）。光芯片的出現(xiàn)，能夠使得服務(wù)器之間以及數(shù)據(jù)中心與外界進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。

光通信芯片及其結(jié)構(gòu)顯微圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

能耗低：傳統(tǒng)芯片進(jìn)行運算時，電子在電路中運動會產(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(qū)動散熱部件。為了散熱，微軟將他們的數(shù)據(jù)中心建在了海底，利于海水冷卻電子設(shè)備。

被打撈出來檢修的水下數(shù)據(jù)中心

（圖片來源：microsoft）

當(dāng)前，訓(xùn)練人工智能大模型也面臨著芯片性能和電力消耗的制約，為了解決這一問題，當(dāng)前有兩種思路。一是光芯片與傳統(tǒng)芯片的混合集成，傳統(tǒng)芯片作為單個的計算單元，光芯片負(fù)責(zé)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，同時功耗的增加也在可接受范圍內(nèi)。二是設(shè)計制造光計算芯片，突破傳統(tǒng)的微電子處理器芯片性能瓶頸。

結(jié)語

總而言之，光芯片作為繼傳統(tǒng)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年提出光纖用于長距離通信的理念，到1970年代末光纖開始商業(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，光子芯片的實用化與商業(yè)化勢在必行。

參考文獻(xiàn)：

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