近幾十年以來，微電子技術(shù)與電子芯片產(chǎn)業(yè)遵循著摩爾定律不斷發(fā)展，隨著傳統(tǒng)制程工藝逼近極限，電子芯片在進(jìn)一步提升計算速度和降低功耗方面的技術(shù)突破，面臨難以解決的瓶頸。在后摩爾時代，光芯片這一顛覆性技術(shù)被視為破局的關(guān)鍵。


光芯片，難覓用武之地？

實際上，光芯片很早就有，已經(jīng)很成熟，比如2000年前后的海底光纜，光通訊兩端的收發(fā)模塊都是光子芯片，甚至在上課或開會時用的激光筆，里面也有激光器芯片，也是一種光子芯片。

但這些是不可編程的光學(xué)線性計算單元，所以無法運用于計算領(lǐng)域。要想通過光來提升算力，具有實用價值的計算單元就必須具備可編程性。

而針對光計算的研究也很早就開始了，始于20世紀(jì)60年代，但受到當(dāng)時應(yīng)用范圍有限以及電子計算技術(shù)快速發(fā)展的影響，光計算處理器未能成功邁向商用。

直到最近10年，這種光計算芯片才逐漸取得突破性進(jìn)展。

尤其是在當(dāng)前時代，AI應(yīng)用正推動對算力的需求，光芯片作為重要的潛在顛覆性技術(shù)路徑，光計算芯片近年來又重新受到廣泛關(guān)注。

光芯片的核心是用波導(dǎo)來代替電芯片的銅導(dǎo)線，來做芯片和板卡上的信號傳輸，其實就是換了一種介質(zhì)。當(dāng)光在波導(dǎo)里面?zhèn)鬏數(shù)臅r候，波導(dǎo)和波導(dǎo)之間出現(xiàn)光信號干涉，用這個物理過程來模擬線性計算這一類的計算過程，即通過光在傳播和相互作用之中的信息變化來進(jìn)行計算。

與最先進(jìn)的電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及數(shù)字電子系統(tǒng)相比，光子計算架構(gòu)在速度、帶寬和能效上優(yōu)勢突出。因此，光子計算能夠有效突破傳統(tǒng)電子器件的性能瓶頸，滿足高速、低功耗通信和計算的需求。

需要指出的是，光子計算的發(fā)展目標(biāo)不是要取代傳統(tǒng)計算機(jī)，而是要輔助已有計算技術(shù)在基礎(chǔ)物理研究、非線性規(guī)劃、機(jī)器學(xué)習(xí)加速和智能信號處理等應(yīng)用場景更高效地實現(xiàn)低延遲、大帶寬和低能耗。

硅光計算芯片通過在單個芯片上集成多種光子器件實現(xiàn)了更高的集成度，還能兼容現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝，降低成本，解決后摩爾時代AI硬件的性能需求，突破馮·諾依曼架構(gòu)的速度和功耗瓶頸。

綜合來看，光芯片的優(yōu)勢可以總結(jié)為：速度快/低延遲、低能耗、擅長AI矩陣計算等。

速度快/低延遲：光計算芯片最顯著的優(yōu)勢是速度快、延遲低，在芯片尺寸的厘米尺度上，這個延遲時間是納秒級，且這個延遲與矩陣的尺寸幾乎無關(guān)，在尺寸較大的情況下，光子矩陣計算的延遲優(yōu)勢非常明顯。

低能耗：鏡片折射本身是不需要能量的，是一個被動過程。在實際應(yīng)用中，由于要對計算系統(tǒng)編程，其中光信號的產(chǎn)生和接收是需要耗能的。在光學(xué)器件和其控制電路被較好地優(yōu)化前提下，基于相對傳統(tǒng)制程的光子計算的能效比，可媲美甚至超越先進(jìn)制程的數(shù)字芯片。

擅長矩陣運算：光波的頻率、波長、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同數(shù)據(jù)，且光路在交叉?zhèn)鬏敃r互不干擾，比如兩束手電筒的光束交叉時，會穿過對方光束形成“X”型，并不會互相干擾。這些特性使光子更擅長做矩陣計算，而AI大模型90%的計算任務(wù)都是矩陣計算。

因此，光計算芯片在AI時代迎來新的用武之地。


中國科研機(jī)構(gòu)的最新突破

近年來,中國科研人員在光芯片研發(fā)領(lǐng)域不斷取得新的重大突破,讓我國的光芯片技術(shù)居于國際前列,為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

2021年5月,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電國家實驗室成功研制出22納米硅基光電子集成芯片。該芯片集成度之高達(dá)56個激光器和240個調(diào)制器,在國際上首次實現(xiàn)如此規(guī)模的光電集成。硅基光電子集成電路因其與硅電子集成電路制程相容而具有制備工藝簡單和成本低廉的優(yōu)點,是光電子集成電路發(fā)展的主流路徑。該芯片的問世,標(biāo)志著我國在光電子集成電路的研發(fā)水平已達(dá)到國際領(lǐng)先,打破了國外長期壟斷的局面。

2022年8月,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所則研制出了國內(nèi)首款高性能矽基光電集成芯片。該芯片在集成度和功能上都達(dá)到國際同類產(chǎn)品的最高水平,不僅實現(xiàn)了高性能光電集成電路關(guān)鍵器件的單片集成,還首次在光芯片上集成實現(xiàn)了可編程的量子邏輯門電路和支持多粒子量子態(tài)編碼的新型光子集成源,為實現(xiàn)可擴(kuò)展的光量子計算機(jī)提供了堅實基礎(chǔ)。這些突破令人振奮,意味著我國量子計算的發(fā)展不再完全依賴國外技術(shù)。

2月,華中科技大學(xué)科研團(tuán)隊在量子操控領(lǐng)域也取得突破。他們成功實現(xiàn)高效率級聯(lián)受控相位旋轉(zhuǎn)門,實現(xiàn)了基于疊加量子態(tài)操作的新型算法模型,是光量子計算機(jī)算力大幅提升的基石性突破。該成果有望將量子計算機(jī)的算力拓展10個量級之多,為打造真正實用的通用量子計算機(jī)邁出關(guān)鍵一步。可以說,這是對量子計算理論和技術(shù)實現(xiàn)方向影響深遠(yuǎn)的基礎(chǔ)研究成果。

由此可見,近幾年間中國科學(xué)家在光芯片研發(fā)上連續(xù)取得重大突破,集成度、性能和功能性方面均達(dá)到了世界一流水準(zhǔn),令人對我國光芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展充滿信心。


光子芯片未來算力突破口的鑰匙

隨著人工智能(AI)時代的到來,算力需求正以前所未有的速度增長。傳統(tǒng)的電子芯片面臨著性能瓶頸,無法滿足AI系統(tǒng)對極高運算能力的需求。而光子芯片(PhotonicChip)憑借其光速傳輸和低功耗等獨特優(yōu)勢,被視為突破算力瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一,成為全球科技競爭的新熱點。

人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展離不開算力的大幅提升。以ChatGPT為例,這款大型語言模型需要數(shù)萬億次參數(shù)相乘累加的運算,才能實現(xiàn)其對話、創(chuàng)作、編程等驚人能力。而這只是冰山一角,未來的人工智能系統(tǒng)將需要更高的算力支撐?？梢灶A(yù)見,在AI時代,算力將會如同工業(yè)時代的電力一般,成為決定生產(chǎn)力水平和技術(shù)進(jìn)步速度的核心驅(qū)動力。

然而,傳統(tǒng)的電子芯片正面臨嚴(yán)峻的物理極限挑戰(zhàn)。國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)顯示,集成電路已接近理論極限,未來難以再有大幅度的時鐘頻率和功率提升。換句話說,電子芯片將無法滿足AI系統(tǒng)對極高算力的無窮饑渴。這已成為制約AI發(fā)展的重要瓶頸之一。

正當(dāng)科技界為算力瓶頸而發(fā)愁之際,光子芯片(PhotonicChip)這一突破性技術(shù)應(yīng)運而生,為算力問題帶來了全新的解決方案。與傳統(tǒng)電子芯片依賴電子流動不同,光子芯片利用光子(光的量子)來傳輸和處理信息。由于光子具有質(zhì)量為零、傳播速度極快等獨特性質(zhì),光子芯片在多個關(guān)鍵指標(biāo)上都展現(xiàn)出了無與倫比的優(yōu)勢。

綜合這些優(yōu)勢,業(yè)內(nèi)普遍預(yù)計,采用光子芯片可將算力提升1000倍乃至更高。對于AI等"算力饑渴"的應(yīng)用領(lǐng)域來說,光子芯片無疑將成為突破瓶頸的金鑰匙。