《硅光半导体芯片开发迅猛,有望大幅提升计算与光通信传输速度》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2022-03-31
  • 当今最先进的微处理器芯片可以包含数百亿个晶体管,它们的铜互连电路在运行时产生大量热量。不过,与光子不同,电子具有质量和电荷——当它们流经金属或半导体材料时,会被硅和金属原子散射,使它们振动并产生热量。因此,提供给微处理器的大部分电力都被浪费了。
    未来如果计算机用光子而不是电子来传输数据,它们的性能会更好,消耗的能量也会更少。使用光传输数据在处理器芯片和它们之间的联系,将有望大幅提高计算机的速度(片上速度和到通信速度),并减少需要获得授权的操作步骤流程,有望带来更快、更强大、更高效的计算机。
    来自eMarketer的一份最新调研显示,越来越多的公司正在开发硅光子半导体芯片,从而为计算机等设备提供更快的速度、更大的功率并提高运行效率。
    据分析,人工智能、自动驾驶汽车和其他需要快速处理大量数据的系统目前需要运行现代先进计算负载,而该技术可以满足日益增长的需求。
    光子学领域的一家公司Luminous Computing已经在A轮融资中筹集到了1.05亿美元,投资者中包括比尔·盖茨(Bill Gates)。据the Next Platform公司最近透露,它计划使用基于光的技术建造一台AI超级计算机。当下,超算是机构和国家非常注重的产品,而AI+超算越来越成为一种新的计算趋势。
    惠普企业(HPE)与Ayar实验室达成了一项多年战略合作,利用这家初创公司的硅光子技术。据报道,该技术可以达到电子I/O电路带宽的1000倍,而功率只有十分之一,用于HPE Slingshot。
    欧洲的研究人员则研发出了一种新的硅锗发光合金,以获得相应的光子芯片,这将给计算机带来革命性的变化。他们的下一步是开发一种硅兼容激光器,它将集成到电子电路中,并成为光子芯片的光源。
    去年3月,Lightmatter公司称计划在今年晚些时候推出其首款基于光的人工智能芯片Envise。它将提供包含16个芯片的服务器刀片,适合传统的数据中心。
    随着创新的驱动器越来越多地冲破数据瓶颈,光子学可以推进最苛刻的技术领域——如AI、量子计算和自动化。它也可能让我们更接近家庭,以更快的物联网和下载速度和更高的流质量。
    据Luminous首席行政官Marcus Gomez称,从十年前的AI型号最多有1亿参数,一小时乘坐一台电脑训练。如今,模型有10万亿参数,每年需要成千上万的机器培养 - 放缓,光子学可以加快训练的几天。
    由于光子学期间相较电子产品而言使用的能量较少,因此它也适用于AVS形态的产品,这必须从能量密集的激光雷达、雷达和相机,紧凑的车辆电池以及缩小范围处理大量数据。
    这也是哈佛和波士顿大学与Luminous达成合作的一大驱动因素,主要是将其电光计算解决方案应用于自动驾驶方面的问题。
    近期,在俄乌冲突以及新冠疫情的双重影响下,半导体与芯片行业也遭受牵连。据悉,这可能会对乌克兰供应半导体生产所需的原材料气体氖、氩、氪和氙的长期能力产生负面影响。预计这场冲突也会影响到光电子行业,不利于它的前景。
    Luminous计划在24个月内实现其系统设备上市销售,但这可能会推迟,除非采取措施回收和回收氖气(neon gas)或更有效地使用它。
    光子学在芯片与电子行业的应用让人期待。一方面,光子学可能会颠覆电子行业;但另一方面,它的新颖性加上供应链的挑战可能会延缓应用。

相关报告
  • 《美国研究团队开发出硅基芯片上光通信技术》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2017-11-28
    • 美国麻省理工学院发布消息称,该校一个研究团队开发出一种新材料,可集成在硅基芯片上进行光通信,从而比导线信号传输具有更高的速度和更低的能耗。该成果发布在最新出版的《自然·纳米技术》期刊上。 这种新材料为二碲化钼,是近年来引人关注的二维过渡金属硫化物的一种。这种超薄结构的半导体可以集成在硅基芯片上,并可以在电极作用下发射或接收光信号。传统上,砷化鎵是良好的光电材料,但很难与硅基材料兼容。此外,传统的光电材料发出的光信号在可见光频段,易被硅材料吸收;而二碲化钼可发射红外光,不易被硅吸收,因此适合在芯片上进行光通信。 目前,这一技术处于概念验证阶段,距离实用还有一定距离。研究团队还在关注其它可集成在硅基芯片上的超薄材料(如黑磷等)在光通信领域的应用。通过改变黑磷材料堆积的层数,可以调节其所发射光信号的波长,从而与目前主流的光通信技术兼容。
  • 《全新硅芯片能精准分发光信号》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-07-31
    • 据物理学家组织网近日报道,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员研制出一种硅芯片,它精准分发光信号的能力,为未来的神经网络研究提供了一种潜在设计方法。 人脑拥有数十亿神经元(神经细胞),每个神经元之间都存在着上千个连接点。许多研究项目致力于制造人工神经网络电路来模拟大脑,但是,像半导体电路这类传统电子器件,通常无法满足正常运作的神经网络中极其复杂的线路需求。 NIST团队建议使用光取代电流作为信号媒介。在解决复杂问题方面,神经网络已展示出卓越的能力,比如快速识别模式类型和精确分析数据等。光的应用则将进一步加快信号传播速度,并消除电荷干扰。 NIST团队物理学家杰夫·奇利斯说:“光的优点在于可进一步优化神经网络的性能,使其能进行精确的科学性数据分析,例如搜索类地行星以及用于量子信息科学等,并加速高智能无人驾驶汽车控制系统的开发研究。” 据报道,NIST设计的芯片通过两层光子波导的垂直堆叠,攻克了光信号应用中的主要难题。这种结构将光限制于狭小的路线中进行光信号路由,这很大程度上类似于采用电线路由电信号。这种三维设计使复杂的路由机制得以运行,进而完成模仿神经系统运作过程的必要步骤。 研究人员表示,激光通过光纤传输到芯片中。根据选定的光的强度以及分布模式,芯片会将每个输入路由到输出组。为评估输出结果,他们制作出输出信号的图像。结果表明,该种方法的最终输出高度均匀,误差率低,实现了精准的功率分布。 研究团队表示,他们真正做到了两件事。一是开始运用三维设计模型实现传输中更多的光学连接;另外,新型测量技术的成功开发使得光子系统中众多设备的特性得以体现。随着人们对于光电子神经系统的大规模深入研究,这两种突破将会起到至关重要的作用。 神经网络已经是人工智能界的当红技术,无论是图像识别、人脸识别还是自然语言处理,都要用到神经网络。神经网络确实强大,却也恰恰因为它的强大,对最底层芯片提出了新挑战。可以预见的是,传统芯片总有一天会无法负荷人工智能时代提出的计算要求,此时,“光”闪亮登场,被寄予厚望——用光路代替电路,数据传输和处理速度能变得更快。已有很多团队在研发光学芯片,不过,成果一般都还处在实验室阶段,走向工业化还要考虑成本、一致性和稳定性等诸多因素。