光子芯片——耗電量只有同等級(jí)電子芯片的六分之一 !

隨著越來(lái)越多耗電量大的人工智能不斷投入使用，計(jì)算機(jī)的能源需求也將飛漲。為降低耗能和對(duì)環(huán)境的影響，光子芯片——作為一種用光進(jìn)行運(yùn)算的芯片，耗電量只有同等級(jí)電子芯片的六分之一，逐漸被研發(fā)及應(yīng)用于人工智能、自動(dòng)駕駛汽車、量子計(jì)算等領(lǐng)域。

中國(guó)工程院院刊《Engineering》2021年第9期刊發(fā)《光子芯片——效率更高、能耗更低》，報(bào)道了光子芯片的研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展，介紹了光子芯片較于其他芯片的優(yōu)越性，即光子芯片不存在電阻問(wèn)題，因?yàn)橛杉す猱a(chǎn)生的光子能快速通過(guò)波導(dǎo)、調(diào)制器、反射器等原件陣列，因此，光子芯片產(chǎn)生熱量更少、能耗也更低、計(jì)算速度也更高。文章指出，光子芯片將為人工智能帶來(lái)突破式發(fā)展，同樣可以幫助其他計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)能耗降低。計(jì)算機(jī)早已是世界能耗巨頭，且隨著越來(lái)越多耗電量大的人工智能(AI)投入使用，計(jì)算機(jī)的能源需求也將飛漲。在各方努力降低AI 耗能和環(huán)境影響的進(jìn)程中，美國(guó)馬薩諸塞州波士頓的初創(chuàng)公司Lightmatter 宣布，已經(jīng)研究出一種用光進(jìn)行運(yùn)算的芯片，耗電量只有同等級(jí)電子芯片的六分之一(圖1)。

其他公司也在為AI、自動(dòng)駕駛汽車、量子計(jì)算等應(yīng)用研發(fā)相似的光子芯片。最近幾十年計(jì)算機(jī)能耗飛漲。研究人員估計(jì)，目前數(shù)據(jù)中心所耗能源占全世界能源的1%。僅谷歌一家公司每年就耗費(fèi)了12 TW·h 以上的能源，比斯里蘭卡整個(gè)國(guó)家耗費(fèi)的能源還要多。比特幣以及其他種類加密貨幣的挖礦活動(dòng)自2009 年興起，現(xiàn)在耗費(fèi)的電量也越來(lái)越多，最新官方估計(jì)比特幣挖礦每年耗費(fèi)電量達(dá)121 TW·h。AI 也是耗電大戶，特別是其中的深度學(xué)習(xí)、面部識(shí)別等功能所必需的深度學(xué)習(xí)算法。訓(xùn)練這些算法時(shí)，需要處理大量數(shù)據(jù)，也就相應(yīng)地需要耗費(fèi)大量電力，并可能產(chǎn)生巨量二氧化碳。一項(xiàng)研究估計(jì)，深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練所需能源相當(dāng)于一輛汽車在其使用壽命內(nèi)所耗盡的能源總量各個(gè)公司也采取了多種方式抑制能耗并減少計(jì)算機(jī)計(jì)算對(duì)氣候產(chǎn)生的影響。例如，數(shù)據(jù)中心能效得到了有效提升。2010—2018 年數(shù)據(jù)中心能耗僅上升了6%，算力則提升了6 倍。但是使用光子而非電子的光基集成電路在降能耗上表現(xiàn)更為出色。

這些電路能耗如此之低，歸功于光的性質(zhì)。當(dāng)電子通過(guò)晶體管和其他傳統(tǒng)集成電路元件時(shí)，會(huì)遇到阻力并產(chǎn)生熱量。隨著設(shè)計(jì)者不斷將各種元件添加到芯片上，芯片產(chǎn)生的熱量自然會(huì)升高。電子這一特性甚至成為了微型芯片性能提升的障礙，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)能耗如此之高的主要原因。舉個(gè)例子，數(shù)據(jù)中心40%的能耗都用于散熱。相較之下，一個(gè)光子芯片不存在電阻問(wèn)題，因?yàn)橛设D射產(chǎn)生的光子能快速通過(guò)波導(dǎo)、調(diào)制器、反射器等原件陣列。因此，光子芯片產(chǎn)生熱量更少，能耗也更低。光子芯片計(jì)算速度也更高。在光基設(shè)備中數(shù)據(jù)以光速移動(dòng)，比普通電路中電子移動(dòng)速度快10 倍。美國(guó)馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的電子工程學(xué)和計(jì)算機(jī)工程學(xué)副教授Dirk Englund 說(shuō)道：“物理學(xué)使我們有了如此巨大的收獲?！彼€稱，光子芯片能將處理速度提升6~7 個(gè)數(shù)量級(jí)。

眾所周知，芯片是人類有史以來(lái)科技含量最高的產(chǎn)品，不單是因?yàn)樾酒旧順?gòu)造復(fù)雜，更是因?yàn)橹圃煨酒に嚭驮O(shè)備的復(fù)雜。

就拿制造芯片所用的光刻機(jī)來(lái)說(shuō)，目前最先進(jìn)的光刻機(jī)是由荷蘭ASML公司生產(chǎn)的EUV極紫外光刻機(jī)，一臺(tái)光刻機(jī)包含10萬(wàn)多個(gè)零件，其中30%左右是由美國(guó)提供，另外的70%由德國(guó)、瑞士、英國(guó)、法國(guó)、荷蘭等幾十個(gè)歐美科技強(qiáng)國(guó)共同制造。和目前的平面顯示器相比，新型立體彩色顯示器有更高的分辨率和信息容量，也為未來(lái)的“屏幕革命”拓展了更大的想象空間?！八羌{米級(jí)的像素控制，精度非常高，分辨率遠(yuǎn)高于目前的二維屏幕。雖然產(chǎn)業(yè)化還有一段很長(zhǎng)的路要走，但是至少推開(kāi)了一扇新的大門，我想這也是我們做科研的意義所在?！狈叫倪h(yuǎn)談道。

以EUV光刻機(jī)使用的光學(xué)鏡頭為例，目前只有德國(guó)的科技巨頭卡爾蔡司可以生產(chǎn)，這背后是卡爾蔡司傳承了170年的技術(shù)積累，即便是號(hào)稱科技強(qiáng)國(guó)的美國(guó)或者日本也造不出來(lái)。

ASML董事長(zhǎng)曾經(jīng)驕傲地放話稱：世界上沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家可以獨(dú)立制造出EUV光刻機(jī)，即便把圖紙給中國(guó)，你們同樣造不出來(lái)!

這話雖然很難聽(tīng)，卻道出了一個(gè)事實(shí)，想要在傳統(tǒng)芯片賽道上超越歐美國(guó)家，難道實(shí)在太大。

不過(guò)我國(guó)的科學(xué)家并沒(méi)有坐以待斃，而是不斷地嘗試各種辦法進(jìn)行彎道超車，比如北大團(tuán)隊(duì)的碳基芯片就是一個(gè)思路，通過(guò)將制造芯片所用的材料由性能差的硅材料改為更優(yōu)的碳材料，已經(jīng)取得了一些列突破。

國(guó)產(chǎn)硅基光子芯片打破世界紀(jì)錄

此外，來(lái)自中國(guó)科技大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊(duì)也嘗試了一種新的思路，那就是硅基光子芯片!

所謂硅基光子芯片，就是將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中，當(dāng)給磷化銦施加電壓的時(shí)候，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅(qū)動(dòng)其他的硅光子器件。

我們?nèi)粘Ｉ钪械氖謾C(jī)、電腦、平板、電視、腕表……這些都屬于二維屏幕，即使近年來(lái)悄然興起的裸眼3d，也只是利用人們的雙眼視差來(lái)“欺騙”視覺(jué)神經(jīng)，讓大腦以為看到的是3d圖像。如何基于屏幕裝置本身的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)真正的三維立體顯示?近日，上海理工大學(xué)光子芯片研究院顧敏院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)邱建榮教授團(tuán)隊(duì)、之江實(shí)驗(yàn)室譚德志博士團(tuán)隊(duì)，通過(guò)在無(wú)色透明的玻璃內(nèi)部實(shí)現(xiàn)帶隙可控的三維(3d)半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)，推開(kāi)了新型立體彩色顯示器的“大門”。從《星球大戰(zhàn)》中飄浮在空中的影像，到鄧麗君跨越時(shí)空與歌手周深在2022跨年演唱會(huì)上“合唱”《大魚(yú)》，立體顯示的概念被越來(lái)越多的人所熟知。全息技術(shù)為完整三維信息重現(xiàn)提供了實(shí)現(xiàn)方式，被業(yè)界認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)立體顯示最有前途的一種技術(shù)手段。但全息技術(shù)必須通過(guò)一定的介質(zhì)，將影像投射到上面，才能顯現(xiàn)出來(lái)。之前，美日科學(xué)家分別用蒸汽幕和激光技術(shù)解決了介質(zhì)問(wèn)題，但由于技術(shù)不成熟，成本高，商業(yè)前景不太樂(lè)觀。那么，全息技術(shù)能不能應(yīng)用在屏幕上呢?這是上理工光子芯片研究院方心遠(yuǎn)副教授在2020年末向顧敏院士提出的一個(gè)構(gòu)想。當(dāng)然，這個(gè)屏幕不是一般的二維屏幕，而是納米三維顯示器?！澳壳帮@示器感光陣列絕大部分是平面分布的，科幻片中的三維畫(huà)面更多要依靠人視覺(jué)上的效果，屬于‘仿三維’，真正的三維立體顯示仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)?！币黾{米三維立體屏第一個(gè)“吃螃蟹”的人，首先要解決的就是將屏幕透明化的問(wèn)題，這樣才能從各個(gè)角度呈現(xiàn)生動(dòng)、立體的圖像。上海理工大學(xué)光子芯片研究院團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，將全息顯示應(yīng)用在通過(guò)飛秒激光誘導(dǎo)的鈣鈦礦納米晶三維可控分布的無(wú)色透明的復(fù)合材料中，點(diǎn)亮三維分布的量子點(diǎn)，首次實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)立體彩色全息顯示。