"Vjerujete li u svjetlost?" Ako vas ljubitelj čipa postavi ovo pitanje, nije da je on odjednom Ultraman obožavatelj. To je da on počinje primjećivati da "svjetlost" počinje uzburkati svijet čipa.
Nobelova nagrada za fiziku 2023. godine dodijeljena je "asimetričnoj tehnologiji pulsa svjetla", a "Kako koristiti svjetlost za izračunavanje" također je postala važna tema u industriji i akademiji. Može li svjetlost, koja je prirodno brzo, dovršiti nadogradnju "infrastrukture" inteligentnog svijeta u doba umjetne inteligencije nevjerojatnom brzinom?
Fotoni preuzimaju iz elektrona
U usporedbi s tradicionalnijim elektroničkim čipovima, fotonski čipovi su nova vrsta čipova koji koriste svojstva fotona za izračunavanje.
U osnovi, čipovi se oslanjaju na fizička svojstva poluvodičkih materijala za manipuliranje mikroskopskim česticama koje nose informacije, ali različite vrste čipova koriste različite nosače čestica. "Fotonski čipovi koriste fotone za generiranje, obradu, prenošenje i prikazivanje informacija", rekla je Lei Mi, osnivačica China Innovation Star.
U usporedbi s elektronima, prednosti fotona su očite: imaju vrlo brzo vrijeme odziva za prijenos informacija, 3-4 naredbe veličine veće sposobnosti informacija od elektrona, snažno skladištenja, računarstva, pa čak i paralelnih sposobnosti međusobnog povezivanja i ultra-niska potrošnja energije ... to je samo povjerenje da ovi potencijal znače za informacijsku industriju.
Sada, s pojavom doba umjetne inteligencije, potražnja za računarskom snagom raste. Međutim, razvoj elektroničkih čipova dostigao je granicu fizičkih i ekonomskih troškova, a "neuspjeh Mooreovog zakona" stalno se čuje.
Elektronski čipovi temelje se na silicijumu, a silikonski atomi imaju promjer od oko 0. 22 nanometre. Kad se postupak smanji na ispod 7 nanometara, elektronički čips vrlo su osjetljivi na električne navale i probleme srušenja elektrona, što otežava savršeno upravljanje elektronima. U valu velikih modela koji su se pojavili 2023. godine, nedostaci tradicionalnih elektroničkih čipova postali su vidljivi.
Photonics Chips najavljuje novu zoru. Oni ne samo da će obećati riješiti nepremostive izazove potrošnje energije i pristupa memoriji u elektroničkim čipovima, već i stvaraju brojne inovativne scenarije aplikacija. U skladu s tim, optičke staze zamjenjuju električne krugove, a laserski izvori zauzimaju mjesto napajanja ... uklanjanjem potrebe za fotoelektričnim pretvorbom, moguće je zaobići postojeće fizičke granice i probiti se kroz računalno usko grlo čipsa. Trenutno je konkurencija na ovom polju već započela među vrhunskim istraživačkim institucijama kako u zemlji tako i na međunarodnoj razini.
U travnju ove godine, istraživački tim sa Sveučilišta Tsinghua pokrenuo je distribuiranu širinu inteligentnu optičku računalnu arhitekturu u svijetu. Dizajnirali su fotonski čip -- "taiji" za napredne AI zadatke, koji ima energetsku učinkovitost od 2 do 3 reda veće od postojećih inteligentnih čipova, a može pružiti računarsku podršku za zadatke poput inteligentne analize velikih scena i treninga i rasuđivanja velikih modela.
U svibnju je istraživački tim na Šangajskom institutu za mikrosistem i informacijsku tehnologiju Kineske akademije znanosti razvio litij tantalat hetero-integrirani vafel, koji je također prvi put korišten za izradu fotonskih čipova visokih performansi i masovno proizvedenih.
Je li fotonski čip doista nije daleko?
Kako ukrotiti svjetlo?
Osim što se radujemo budućnosti, razmislimo više o tome kako rade čipovi fotonika?
Elektronski čip sastoji se od elektroničkog tranzistora i vodljive bakrene žice. Fotonski čip sastoji se od fotonskog tranzistora i valovoda koji provodi svjetlost. Valovod je medij za širenje svjetlosti, poput poznatog optičkog vlakna.
Prema njihovim funkcijama, fotonski čipovi mogu se podijeliti u dvije kategorije: laserski čips i detektorski čipovi. Laserski čipovi moraju koristiti električnu energiju ubrizgane struje poluvodičkim materijalima kako bi se ostvarila pretvorba električne energije i svjetlosti. Detektorski čipovi identificiraju optičke signale kroz fotoelektrični učinak i pretvaraju ih u električne signale.
Kako kontrolirati izlaz svjetla? U idealnom slučaju, to bi bio potpuno optički tranzistor vođen i kontroliran svjetlom. Međutim, tehnologija još nije zrela; Čisti fotonski čipovi još uvijek su u konceptualnoj fazi, a osnovne komponente fotonskih čipsa i dalje su elektro-optički hibridni uređaji koji koriste svjetlost za vožnju i električnu energiju za kontrolu. Na temelju optoelektronske modulacije, Sveučilište Tsinghua lansiralo je u kolovozu ove godine Taiji II čip, postigavši internetsku obuku optičkih neuronskih mreža bez potrebe za GPU -om.
Integracijom elektro-optičkih hibridnih uređaja, cijeli postupak modulacije, prijenosa i demodulacije između optičkih signala i električnih signala integriran je na jedan supstrat. To čini temelj za brzu obradu podataka u čipovima. Zahvaljujući prednosti lakih valova veličine valne duljine, fotonski čips se mogu proizvesti pomoću zrelih procesa s valnim duljinama malim od stotinu nanometara, što omogućava potpunu domaću proizvodnju ovih čipsa.
Gdje će se koristiti fotonski čips?
Kao što rekoh, fotonični čipovi mogu probiti usko grlo računalne snage elektroničkih čipsa. Osim toga, koja druga područja mogu koristiti?
Poznato je da je brzina svjetlosti najbrže poznata u svemiru. Koristeći velike brzine prijenosnih karakteristika svjetlosti, prvo što vam padne na pamet fotonskim čipovima je prijenos podataka ultra brzih brzina. "Optička mreža vlakana + fotonski čip" označava novu eru komunikacije velike brzine. Nadalje, interferencijski otpor fotonskih čipsa također omogućuje da fotonski radar postane stvarnost.
Primjena fotonskih čipova u drugim poljima također je obećavajuća. Na primjer, u biomedicini se fotonski čipovi mogu koristiti za optičko snimanje i spektroskopsku analizu, omogućujući brzo otkrivanje i analizu stanica, tkiva i lijekova. U nadzoru okoliša, fotonski čipovi mogu se primijeniti na senzore plina i nadzor zagađenja, što čini praćenje u stvarnom vremenu i procjenu kvalitete okoliša učinkovitijim.
Optički računalni čipovi počinju se kretati iz laboratorija, a znanstvenici se nadaju da će se nakon niza inženjerskog napora komercijalni fotonski čipovi što prije proizvesti na stabilan način. To znači da industrija može široko prihvatiti troškove fotonskih čipova.
