"Você acredita na luz?" Se um entusiasta de chip faz essa pergunta, não é que ele seja de repente um fã Ultraman. É que ele está começando a perceber que "Light" está começando a despertar o mundo dos chips.
O Prêmio Nobel de 2023 em física foi concedido à "tecnologia assimétrica de pulso de luz" e "Como usar a luz para calcular" também se tornou um tópico importante na indústria e na academia. A luz, que é naturalmente rápida, completa a atualização da "infraestrutura" do mundo inteligente na era da inteligência artificial a uma velocidade incrível?
Fótons substituem os elétrons
Comparados com os chips eletrônicos mais tradicionais, os chips fotônicos são um novo tipo de chips que usam as propriedades dos fótons para calcular.
Em essência, os chips dependem das propriedades físicas dos materiais semicondutores para manipular partículas microscópicas que transportam informações, mas diferentes tipos de chips usam diferentes portadores de partículas. "Os chips fotônicos usam fótons para gerar, processar, transmitir e exibir informações", disse Lei MI, parceiro fundador da China Innovation Star.
Comparados aos elétrons, as vantagens dos fótons são óbvios: eles têm um tempo de resposta muito rápido para a transmissão de informações, 3-4 ordens de magnitude maior capacidade de informação que os elétrons, armazenamento forte, computação e até capacidades de interconexão paralelas e consumo de energia ultra-baixa ... é auto-evidente o que potencial significa essas vantagens da indústria da informação.
Agora, com o advento da era da inteligência artificial, a demanda por poder de computação está aumentando. No entanto, o desenvolvimento de chips eletrônicos atingiu o limite de custos físicos e econômicos, e o "fracasso da lei de Moore" é constantemente ouvido.
Os chips eletrônicos são baseados em silício, com átomos de silício tendo um diâmetro de cerca de 0. 22 nanômetros. Quando o processo é reduzido para menos de 7 nanômetros, os chips eletrônicos são altamente suscetíveis a surtos elétricos e problemas de quebra de elétrons, dificultando o controle perfeitamente dos elétrons. Na onda de grandes modelos que surgiram em 2023, as deficiências dos chips eletrônicos tradicionais tornaram -se evidentes.
Fotônicos Chips Herald um novo amanhecer. Eles não apenas prometem enfrentar os desafios intransponíveis de consumo de energia e acesso à memória em chips eletrônicos, mas também dão origem a vários cenários de aplicativos inovadores. De acordo com isso, os caminhos ópticos substituem os circuitos elétricos e as fontes a laser substituem as fontes de alimentação ... eliminando a necessidade de conversão fotoelétrica, é possível ignorar os limites físicos existentes e romper o gargalo computacional de chips. Atualmente, a competição nesse campo já começou entre as principais instituições de pesquisa, tanto nacional quanto internacionalmente.
Em abril deste ano, uma equipe de pesquisa da Universidade de Tsinghua foi pioneira em uma arquitetura de computação óptica inteligente distribuída no mundo. Eles projetaram um chip fotônico -- "taiji" para tarefas avançadas de IA, que possui uma eficiência energética de 2 a 3 ordens de magnitude maior que a dos chips inteligentes existentes e podem fornecer suporte de poder de computação para tarefas como análise inteligente de cenas grandes e treinamento e raciocínio de grandes modelos.
Em maio, uma equipe de pesquisa do Instituto de Microssistema e Tecnologia da Informação da Academia Chinesa de Ciências, desenvolveu uma bolacha hetero-integrada de tantalato de lítio, que também foi usada pela primeira vez para fazer chips fotônicos produzidos em massa.
O chip de fóton não está realmente longe?
Como domar a luz?
Além de esperar o futuro, vamos pensar mais em como os chips fotônicos funcionam?
Um chip eletrônico é composto de um transistor eletrônico e um fio condutor de cobre. Um chip fotônico é composto de um transistor fotônico e um guia de ondas que conduz luz. O guia de ondas é o meio para propagação de luz, como a fibra óptica familiar.
De acordo com suas funções, os chips fotônicos podem ser divididos em duas categorias: chips a laser e chips detectores. Os chips a laser precisam usar a energia elétrica da corrente injetada por materiais semicondutores para realizar a conversão de eletricidade e luz. Os chips do detector identificam sinais ópticos através do efeito fotoelétrico e os convertem em sinais elétricos.
Como controlar a saída de luz? Idealmente, seria um transistor totalmente óptico acionado e controlado pela luz. No entanto, a tecnologia ainda não está madura; Os chips fotônicos puros ainda estão no estágio conceitual, e os componentes básicos dos chips fotônicos ainda são dispositivos híbridos eletro-ópticos que usam luz para dirigir e eletricidade para controle. Com base na modulação optoeletrônica, a Universidade de Tsinghua lançou o chip Taiji II em agosto deste ano, alcançando o treinamento on -line de redes neurais ópticas sem a necessidade de uma GPU.
Através da integração de dispositivos híbridos eletro-ópticos, todo o processo de modulação, transmissão e desmodulação entre sinais ópticos e sinais elétricos é integrado a um único substrato. Isso forma a base para o processamento de dados de alta velocidade em chips. Graças à vantagem do tamanho do comprimento de onda das ondas leves, os chips fotônicos podem ser fabricados usando processos maduros com comprimentos de onda tão pequenos quanto cem nanômetros, permitindo a produção doméstica completa desses chips.
Onde os chips de fótons serão usados?
Como eu disse, os chips fotônicos têm o potencial de romper o gargalo de potência da computação de chips eletrônicos. Além disso, que outras áreas elas podem ser usadas?
É sabido que a velocidade da luz é a mais rápida no universo. Aproveitando as características de transmissão de alta velocidade da luz, a primeira coisa que vem à mente com chips fotônicos é a transferência de dados de alta velocidade. "Rede de fibra óptica + chip fotônico" significa uma nova era de comunicação de alta velocidade. Além disso, a resistência à interferência de chips fotônicos também possibilita que o radar fotônico se torne realidade.
A aplicação de chips fotônicos em outros campos também é promissora. Por exemplo, na biomedicina, os chips fotônicos podem ser usados para imagem óptica e análise espectroscópica, permitindo detecção rápida e análise de células, tecidos e medicamentos. No monitoramento ambiental, os chips fotônicos podem ser aplicados a sensores de gás e monitoramento da poluição, tornando mais eficiente o monitoramento em tempo real e a avaliação da qualidade ambiental.
Os chips de computação ópticos estão começando a sair do laboratório, e os cientistas esperam que, após uma série de esforços de engenharia, chips fotônicos comerciais possam ser produzidos de maneira estável o mais rápido possível. Isso significa que o custo dos chips fotônicos pode ser amplamente aceito pela indústria.
