光芯片，用光突破計算瓶頸！

出品：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學院長春光機所光學碩士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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芯片，又叫做集成電路，在指甲蓋大小的空間中，能夠包含數十億的電子元件，形成了極其復雜的電路結構。芯片被用于數據的處理、存儲、控制、通信和感知等各個方面，計算機、手機、汽車等設備都依賴芯片來處理數據，執(zhí)行算法和運行軟件程序。面對各種各樣的需求，人們制造出了數十萬種芯片。

近期，由中國科學院上海微系統與信息技術研究所（上海微系統所）、瑞士洛桑聯邦理工學院組成的合作團隊在國際上另辟蹊徑，在高性能光子芯片制備領域取得了突破性進展，研發(fā)了可批量制造的新型光子芯片，相關成果及論文發(fā)表在了著名國際期刊《自然》上。

芯片內部結構示意

（圖片來源：veer圖庫）

眾多芯片中，光芯片大不一樣

芯片依賴電子在集成電路中的運行來實現各種復雜的功能，芯片內部存在非常多的導線供電子穿梭。光芯片則是利用光在集成光路中的傳輸來實現各種復雜的功能，光芯片主要由發(fā)光器件（產生光），光波導（引導光傳播的裝置）組成。

光芯片結構示意，條紋結構為光波導組成的光芯片單元

（圖片來源：VLC Photonics）

光波導是光在從一種介質傳播到另一種介質時偶爾會發(fā)生的全反射現象。比如，當光從水傳播到空氣時，只要光與介質分界面所成角度到達特定范圍，就會發(fā)生全反射現象，利用該現象能夠制成引導光波前進的結構就叫做光波導。

光線在玻璃當中不斷全反射

（圖片來源：wikipedia）

通信光纜中的光波導纖維，由玻璃制成

（圖片來源：veer圖庫）

現有芯片的種類和功能已經很完善了，為什么還要用光子芯片來替代傳統芯片呢？這是因為芯片的性能已經無法滿足人們在高速通信和人工智能方面的需求。

光子芯片的特點

與傳統芯片對比，光子芯片如同光纖通信線路對比傳統的通信電纜。光纖能夠傳輸更多的數據量，一根光纖所傳輸的數據量相當于數十根傳統信號電纜。

光纖傳輸中的光信號能夠在長距離傳輸時保持較高的質量，相比之下信號電纜需要消耗更多的能量，且信號質量也會下降。光子芯片在傳輸速度，能耗方面相比于傳統的芯片也有很大的優(yōu)勢。

金屬制成的通信電纜

（圖片來源：veer圖庫）

光纖（光波導）制成的通信光纜

（圖片來源：veer圖庫）

速度快：光的傳播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能夠傳播299792.458千米（傳播一個馬拉松的距離，光只需要0.0001407秒），相比之下，電信號在電路中的傳輸速度大約是光速的三分之二到四分之三，隨著電路溫度的升高，速度還會下降。

微信、支付寶應用的用戶數目多達數億，使用這些軟件所產生的數據量是巨大的。海量數據被上傳至軟件公司建立的數據中心進行處理，數據中心由眾多高性能計算機（又叫服務器）組成，服務器之間需要快速交換大量數據。

把服務器比作水缸，水缸間需要通信芯片作為“水管”，將水缸連接在一起，如果水管太細（通信芯片速度無法滿足需求），那么水缸的水就無法及時流入或排出，個別水缸水溢出時，也就發(fā)生了服務器崩潰（軟件沒法用了）。光芯片的出現，能夠使得服務器之間以及數據中心與外界進行快速的數據交換。

光通信芯片及其結構顯微圖

（圖片來源：參考文獻2）

能耗低：傳統芯片進行運算時，電子在電路中運動會產熱，高性能運算芯片的耗電量非常高，目前是制約芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驅動散熱部件。為了散熱，微軟將他們的數據中心建在了海底，利于海水冷卻電子設備。

被打撈出來檢修的水下數據中心

（圖片來源：microsoft）

當前，訓練人工智能大模型也面臨著芯片性能和電力消耗的制約，為了解決這一問題，當前有兩種思路。一是光芯片與傳統芯片的混合集成，傳統芯片作為單個的計算單元，光芯片負責計算單元之間的高速通信橋梁，建立集群運算，有效提高運算速度，同時功耗的增加也在可接受范圍內。二是設計制造光計算芯片，突破傳統的微電子處理器芯片性能瓶頸。

結語

總而言之，光芯片作為繼傳統微電子芯片后，信息技術的又一重要支撐，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都極具潛力。

從華人科學家、光纖之父高錕在1966年提出光纖用于長距離通信的理念，到1970年代末光纖開始商業(yè)化推廣，經歷了二十余年，光纖的傳輸損耗也降低為最初的1%。同樣地，光子芯片的實用化與商業(yè)化勢在必行。

參考文獻：

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