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光子芯片——耗电量只有同等级电子芯片的六分之一

  • 2022-2-17 13:24:27
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随着越来越多耗电量大的人工智能不断投入使用,计算机的能源需求也将飞涨。为降低耗能和对环境的影响,光子芯片——作为一种用光进行运算的芯片,耗电量只有同等级电子芯片的六分之一,逐渐被研发及应用于人工智能、自动驾驶汽车、量子计算等领域。

中国工程院院刊《Engineering》2021年第9期刊发《光子芯片——效率更高、能耗更低》,报道了光子芯片的研发及应用进展,介绍了光子芯片较于其他芯片的优越性,即光子芯片不存在电阻问题,因为由激光产生的光子能快速通过波导、调制器、反射器等原件阵列,因此,光子芯片产生热量更少、能耗也更低、计算速度也更高。文章指出,光子芯片将为人工智能带来突破式发展,同样可以帮助其他计算机领域实现能耗降低。计算机早已是世界能耗巨头,且随着越来越多耗电量大的人工智能(AI)投入使用,计算机的能源需求也将飞涨。在各方努力降低AI 耗能和环境影响的进程中,美国马萨诸塞州波士顿的初创公司Lightmatter 宣布,已经研究出一种用光进行运算的芯片,耗电量只有同等级电子芯片的六分之一(图1)。

其他公司也在为AI、自动驾驶汽车、量子计算等应用研发相似的光子芯片。最近几十年计算机能耗飞涨。研究人员估计,目前数据中心所耗能源占全世界能源的1%。仅谷歌一家公司每年就耗费了12 TW·h 以上的能源,比斯里兰卡整个国家耗费的能源还要多。比特币以及其他种类加密货币的挖矿活动自2009 年兴起,现在耗费的电量也越来越多,最新官方估计比特币挖矿每年耗费电量达121 TW·h。AI 也是耗电大户,特别是其中的深度学习、面部识别等功能所必需的深度学习算法。训练这些算法时,需要处理大量数据,也就相应地需要耗费大量电力,并可能产生巨量二氧化碳。一项研究估计,深度学习算法训练所需能源相当于一辆汽车在其使用寿命内所耗尽的能源总量各个公司也采取了多种方式抑制能耗并减少计算机计算对气候产生的影响。例如,数据中心能效得到了有效提升。2010—2018 年数据中心能耗仅上升了6%,算力则提升了6 倍。但是使用光子而非电子的光基集成电路在降能耗上表现更为出色。

这些电路能耗如此之低,归功于光的性质。当电子通过晶体管和其他传统集成电路元件时,会遇到阻力并产生热量。随着设计者不断将各种元件添加到芯片上,芯片产生的热量自然会升高。电子这一特性甚至成为了微型芯片性能提升的障碍,同时也是计算机能耗如此之高的主要原因。举个例子,数据中心40%的能耗都用于散热。相较之下,一个光子芯片不存在电阻问题,因为由镭射产生的光子能快速通过波导、调制器、反射器等原件阵列。因此,光子芯片产生热量更少,能耗也更低。光子芯片计算速度也更高。在光基设备中数据以光速移动,比普通电路中电子移动速度快10 倍。美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的电子工程学和计算机工程学副教授Dirk Englund 说道:“物理学使我们有了如此巨大的收获。”他还称,光子芯片能将处理速度提升6~7 个数量级。

众所周知,芯片是人类有史以来科技含量最高的产品,不单是因为芯片本身构造复杂,更是因为制造芯片工艺和设备的复杂。

就拿制造芯片所用的光刻机来说,目前最先进的光刻机是由荷兰ASML公司生产的EUV极紫外光刻机,一台光刻机包含10万多个零件,其中30%左右是由美国提供,另外的70%由德国、瑞士、英国、法国、荷兰等几十个欧美科技强国共同制造。和目前的平面显示器相比,新型立体彩色显示器有更高的分辨率和信息容量,也为未来的“屏幕革命”拓展了更大的想象空间。“它是纳米级的像素控制,精度非常高,分辨率远高于目前的二维屏幕。虽然产业化还有一段很长的路要走,但是至少推开了一扇新的大门,我想这也是我们做科研的意义所在。”方心远谈道。

以EUV光刻机使用的光学镜头为例,目前只有德国的科技巨头卡尔蔡司可以生产,这背后是卡尔蔡司传承了170年的技术积累,即便是号称科技强国的美国或者日本也造不出来。

ASML董事长曾经骄傲地放话称:世界上没有任何一个国家可以独立制造出EUV光刻机,即便把图纸给中国,你们同样造不出来!

这话虽然很难听,却道出了一个事实,想要在传统芯片赛道上超越欧美国家,难道实在太大。

不过我国的科学家并没有坐以待毙,而是不断地尝试各种办法进行弯道超车,比如北大团队的碳基芯片就是一个思路,通过将制造芯片所用的材料由性能差的硅材料改为更优的碳材料,已经取得了一些列突破。

国产硅基光子芯片打破世界纪录

此外,来自中国科技大学的潘建伟团队也尝试了一种新的思路,那就是硅基光子芯片!

所谓硅基光子芯片,就是将磷化铟的发光属性和硅的光路由能力整合到单一混合芯片中,当给磷化铟施加电压的时候,光进入硅片的波导,产生持续的激光束,这种激光束可驱动其他的硅光子器件。

我们日常生活中的手机、电脑、平板、电视、腕表……这些都属于二维屏幕,即使近年来悄然兴起的裸眼3d,也只是利用人们的双眼视差来“欺骗”视觉神经,让大脑以为看到的是3d图像。如何基于屏幕装置本身的改进,实现真正的三维立体显示?近日,上海理工大学光子芯片研究院顾敏院士团队联合浙江大学邱建荣教授团队、之江实验室谭德志博士团队,通过在无色透明的玻璃内部实现带隙可控的三维(3d)半导体量子结构,推开了新型立体彩色显示器的“大门”。从《星球大战》中飘浮在空中的影像,到邓丽君跨越时空与歌手周深在2022跨年演唱会上“合唱”《大鱼》,立体显示的概念被越来越多的人所熟知。全息技术为完整三维信息重现提供了实现方式,被业界认为是实现立体显示最有前途的一种技术手段。但全息技术必须通过一定的介质,将影像投射到上面,才能显现出来。之前,美日科学家分别用蒸汽幕和激光技术解决了介质问题,但由于技术不成熟,成本高,商业前景不太乐观。那么,全息技术能不能应用在屏幕上呢?这是上理工光子芯片研究院方心远副教授在2020年末向顾敏院士提出的一个构想。当然,这个屏幕不是一般的二维屏幕,而是纳米三维显示器。“目前显示器感光阵列绝大部分是平面分布的,科幻片中的三维画面更多要依靠人视觉上的效果,属于‘仿三维’,真正的三维立体显示仍是一个重大挑战。”要做纳米三维立体屏第一个“吃螃蟹”的人,首先要解决的就是将屏幕透明化的问题,这样才能从各个角度呈现生动、立体的图像。上海理工大学光子芯片研究院团队与浙江大学团队合作,将全息显示应用在通过飞秒激光诱导的钙钛矿纳米晶三维可控分布的无色透明的复合材料中,点亮三维分布的量子点,首次实现了动态立体彩色全息显示。

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