"¿Crees en la luz?" Si un entusiasta de los chips le hace esta pregunta, no es que de repente sea un fanático de Ultraman. Es que está empezando a notar que "Light" está empezando a provocar el mundo de los chips.
El Premio Nobel de Física 2023 se otorgó a "tecnología asimétrica de pulso de luz", y "cómo usar la luz para calcular" también se ha convertido en un tema importante en la industria y la academia. ¿Puede Light, que es naturalmente rápido, completar la actualización de la "infraestructura" del mundo inteligente en la era de la inteligencia artificial a una velocidad increíble?
Los fotones se hacen cargo de los electrones
En comparación con los chips electrónicos más tradicionales, los chips fotónicos son un nuevo tipo de chips que usan las propiedades de los fotones para calcular.
En esencia, los chips confían en las propiedades físicas de los materiales semiconductores para manipular partículas microscópicas que llevan información, pero diferentes tipos de chips usan diferentes portadores de partículas. "Los chips fotónicos usan fotones para generar, procesar, transmitir y mostrar información", dijo Lei Mi, socia fundadora de China Innovation Star.
En comparación con los electrones, las ventajas de los fotones son obvias: tienen un tiempo de respuesta muy rápido para la transmisión de información, órdenes 3-4 de magnitud de capacidad de información más alta que los electrones, el almacenamiento fuerte, la computación e incluso las capacidades de interconexión paralela y el consumo de energía ultra-bajo ... Es evidente por el potencial de qué potencial significan la industria informativa.
Ahora, con el advenimiento de la era de la inteligencia artificial, la demanda de energía informática está aumentando. Sin embargo, el desarrollo de chips electrónicos ha alcanzado el límite de los costos físicos y económicos, y se escucha constantemente el "fracaso de la ley de Moore".
Los chips electrónicos se basan en silicio, con átomos de silicio que tienen un diámetro de aproximadamente 0. 22 nanómetros. Cuando el proceso se reduce a menos de 7 nanómetros, los chips electrónicos son altamente susceptibles a las oleadas eléctricas y los problemas de desglose de electrones, lo que dificulta controlar perfectamente los electrones. En la ola de grandes modelos que surgieron en 2023, las deficiencias de los chips electrónicos tradicionales se han vuelto evidentes.
Los chips fotónicos anuncian un nuevo amanecer. No solo prometen abordar los desafíos insuperables del consumo de energía y el acceso a la memoria en chips electrónicos, sino que también dan lugar a numerosos escenarios innovadores de aplicaciones. En línea con esto, las rutas ópticas reemplazan los circuitos eléctricos, y las fuentes láser toman el lugar de los suministros de alimentación ... Al eliminar la necesidad de conversión fotoeléctrica, es posible evitar los límites físicos existentes y romper el cuello de botella computacional. Actualmente, la competencia en este campo ya ha comenzado entre las principales instituciones de investigación tanto a nivel nacional como internacional.
En abril de este año, un equipo de investigación de la Universidad de Tsinghua fue pionero en una arquitectura de computación óptica de amplitud distribuida en el mundo. Diseñaron un chip fotónico -- "taiji" para tareas de IA avanzadas, que tiene una eficiencia energética de 2 a 3 órdenes de magnitud más altas que las de los chips inteligentes existentes, y puede proporcionar soporte de potencia informática para tareas como el análisis inteligente de grandes escenas y capacitación y razonamiento de modelos grandes.
En mayo, un equipo de investigación del Instituto de Microsistema de Shanghai y Tecnología de la Información de la Academia de Ciencias de China desarrolló una oblea hetero-integrada hetero-integrada de litio, que también se utilizó por primera vez para hacer chips fotónicos de alto rendimiento y producidos en masa.
¿El chip de fotón no está realmente lejos?
¿Cómo domesticar la luz?
Además de esperar el futuro, pensemos más en cómo funcionan los chips fotónicos.
Un chip electrónico está compuesto por un transistor electrónico y un cable de cobre conductor. Un chip fotónico está formado por un transistor fotónico y una guía de onda que conduce la luz. La guía de onda es el medio para la propagación de la luz, como la fibra óptica familiar.
Según sus funciones, los chips fotónicos se pueden dividir en dos categorías: chips láser y chips detector. Los chips láser deben usar la energía eléctrica de la corriente inyectada por materiales semiconductores para realizar la conversión de electricidad y luz. Los chips detectores identifican señales ópticas a través del efecto fotoeléctrico y conviértalos en señales eléctricas.
¿Cómo controlar la salida de luz? Idealmente, sería un transistor totalmente óptico impulsado y controlado por la luz. Sin embargo, la tecnología aún no es madura; Los chips fotónicos puros todavía están en la etapa conceptual, y los componentes básicos de los chips fotónicos siguen siendo dispositivos híbridos electroópticos que usan luz para la conducción y la electricidad para el control. Basado en la modulación optoelectrónica, la Universidad de Tsinghua lanzó el chip de Taiji II en agosto de este año, logrando la capacitación en línea de redes neuronales ópticas sin la necesidad de una GPU.
A través de la integración de dispositivos híbridos electroópticos, todo el proceso de modulación, transmisión y demodulación entre señales ópticas y señales eléctricas se integra en un solo sustrato. Esto forma la base para el procesamiento de datos de alta velocidad en chips. Gracias a la ventaja del tamaño de la longitud de onda de las ondas de luz, los chips fotónicos se pueden fabricar utilizando procesos maduros con longitudes de onda tan pequeñas como cien nanómetros, lo que permite la producción nacional completa de estos chips.
¿Dónde se utilizarán los chips de fotones?
Como dije, los chips fotónicos tienen el potencial de romper el cuello de botella de alimentación informática de chips electrónicos. Además, ¿qué otras áreas se pueden usar?
Es bien sabido que la velocidad de la luz es la más rápida conocida en el universo. Aprovechando las características de transmisión de alta velocidad de la luz, lo primero que me viene a la mente con chips fotónicos es la transferencia de datos de ultra alta velocidad. "Fiber Optic Network + Photonic Chip" significa una nueva era de comunicación de alta velocidad. Además, la resistencia a la interferencia de los chips fotónicos también hace posible que el radar fotónico se haga realidad.
La aplicación de chips fotónicos en otros campos también es prometedora. Por ejemplo, en la biomedicina, los chips fotónicos se pueden usar para imágenes ópticas y análisis espectroscópico, lo que permite la detección rápida y el análisis de células, tejidos y fármacos. En el monitoreo ambiental, los chips fotónicos se pueden aplicar a los sensores de gas y al monitoreo de la contaminación, lo que hace que el monitoreo en tiempo real y la evaluación de la calidad ambiental sean más eficientes.
Los chips de computación óptica están comenzando a salir del laboratorio, y los científicos esperan que después de una serie de esfuerzos de ingeniería, los chips fotónicos comerciales se puedan producir de manera estable lo antes posible. Eso significa que la industria puede aceptar ampliamente el costo de los chips fotónicos.
