你相信光嗎？這個(ge) 問題有了新答案

半月談記者 張漫子

“你相信光嗎？”如果一位關(guan) 心芯片的人向你拋出這個(ge) 問題，不是他忽然成了奧特曼迷，而是說明，他開始注意到，“光”開始成為(wei) 攪動芯片界的力量了。

2023年諾貝爾物理學獎頒給“阿秒光脈衝(chong) 技術”，“如何用光計算”也開始成為(wei) 業(ye) 界學界的重要課題。天生神速的光，能否以不可思議的速度，完成人工智能時代智能世界“基礎設施”的更新換代？

光子“接棒”電子

不同於(yu) 較為(wei) 傳(chuan) 統的電子芯片，光子芯片是一種利用光子特性來計算的新型芯片。

本質上，芯片都要借助半導體(ti) 材料的物理特性來操控承載信息的微觀粒子，不過不同類型芯片選擇的粒子載體(ti) 不同。“光子芯片就是利用光子來生成、處理、傳(chuan) 輸並顯示信息。”中科創星創始合夥(huo) 人米磊說。

相較於(yu) 電子，光子的優(you) 勢顯而易見：傳(chuan) 輸信息具有極快的響應時間，信息容量比電子高3-4個(ge) 量級，具有極強的存儲(chu) 、計算乃至並行互聯能力，超低能耗……這些優(you) 勢在信息產(chan) 業(ye) 意味著怎樣的潛力，不言而喻。

眼下，隨著人工智能時代的到來，人們(men) 對算力的需求也水漲船高。然而電子芯片發展已近於(yu) 物理和經濟成本極限，“摩爾定律失效”之聲不絕於(yu) 耳。

電子芯片以矽為(wei) 基礎材料，而矽原子的直徑約為(wei) 0.22納米。當製程降至7納米以下，電子芯片極易出現電湧和電子擊穿問題，意味著我們(men) 很難完美控製電子。在2023年興(xing) 起至今的大模型浪潮中，傳(chuan) 統電子芯片的左支右絀已見端倪。

光子芯片則意味著新的曙光。它不僅(jin) 有望解決(jue) 電子芯片難以克服的功耗、訪存能力等方麵的優(you) 化難題，還可以催生諸多嶄新應用場景。與(yu) 之相匹配的，則是用光路代替電路，用激光光源代替功率電源……省去光電轉換，就有可能繞過現有的物理極限，突破芯片的算力瓶頸。目前，這一領域的角逐已在國內(nei) 外諸多頂尖科研機構之間打響發令槍。

清華大學光子芯片團隊部分成員合影

今年4月，清華大學研究團隊在國際上首創分布式廣度智能光計算架構，設計出一種麵向先進AI任務的光子芯片——“太極”，能量效率超過現有智能芯片2至3個(ge) 數量級，可為(wei) 大場景智能分析、大模型訓練推理等任務提供算力支撐。

5月，中國科學院上海微係統與(yu) 信息技術研究所的研究團隊開發出鉭酸鋰異質集成晶圓，也首先用於(yu) 製作高性能且可批量製造的光子芯片。

光子芯片，真的離我們(men) 不遠了嗎？

如何“馴服”光？

憧憬未來之餘(yu) ，先讓我們(men) 多想一想，光子芯片如何工作？

一枚電子芯片，由電子晶體(ti) 管、導電的銅線構成。一枚光子芯片，則由光子晶體(ti) 管和“導光”的波導構成。波導是傳(chuan) 播光的媒介，例如大家耳熟能詳的光纖，就是一種波導。

按照功能，光子芯片可分為(wei) 激光器芯片和探測器芯片兩(liang) 類。激光器芯片要借助半導體(ti) 材料激發注入電流的電能，從(cong) 而實現電光轉換。探測器芯片則是通過光電效應識別光信號，將其轉化為(wei) 電信號。

技術人員探討光芯片生產(chan) 工藝 魏培全 攝

如何控製光的輸出？最理想的情況，是以光驅動，以光控製的全光晶體(ti) 管。但目前技術尚不成熟，純光子芯片仍處於(yu) 概念階段，光子芯片的基本器件還是用光驅動、用電控製的電光混合器件。基於(yu) 光電調控，清華大學於(yu) 今年8月推出太極II芯片，在無需GPU的情況下實現了光學神經網絡的在線訓練。

借由電光混合器件，光信號和電信號之間調製、傳(chuan) 輸、解調的全過程集成在一塊襯底上，這就是芯片高速處理數據的基礎。得益於(yu) 光波的波長尺寸優(you) 勢，光子芯片的製備僅(jin) 需百納米成熟工藝，芯片可實現完全國產(chan) 化自主生產(chan) 。

哪裏是光子芯片的用武之地？

剛才說了，光子芯片有可能突破電子芯片的算力瓶頸。除此之外，它還可以在哪些領域大顯身手呢？

都知道光速是人類已知的宇宙中最快速度，借助光的高速傳(chuan) 輸特性，光子芯片首先令人期待的，就是超高速數據傳(chuan) 輸。“光纖網絡+光子芯片”，意味著高速通信的全新時代。此外，光子芯片的抗幹擾性能也使得光子雷達有望成為(wei) 現實。

圖片由AI生成

光子芯片在其他領域的應用也值得期待。例如，生物醫學領域，光子芯片可以應用於(yu) 光學成像和光譜分析，實現對細胞、組織和藥物的快速檢測和分析。環境監測領域，光子芯片可以用於(yu) 氣體(ti) 傳(chuan) 感器和汙染監測，讓實時監測和評估環境質量效率更高。

光計算芯片，目前正在開始走出實驗室，科學家們(men) 的期待是，經過一係列工程化努力，可以穩定生產(chan) 的商用光子芯片能盡快化為(wei) 現實。那也就意味著，光子芯片的成本已經可為(wei) 業(ye) 界廣泛接受。

過了這幾道關(guan) ，我們(men) 才能走上芯片新紀元的金光大道。不過，前景已然可期，畢竟，光就在那裏。