"Credi nella luce?" Se un appassionato di chip ti pone questa domanda, non è improvvisamente un fan di Ultraman. È che sta iniziando a notare che la "luce" sta iniziando a suscitare il mondo dei chip.
Il premio Nobel del 2023 in fisica è stato assegnato alla "tecnologia asimmetrica di impulsi di luce" e "come usare la luce per calcolare" è diventato anche un argomento importante nel settore e nel mondo accademico. La luce, che è naturalmente veloce, può completare l'aggiornamento dell '"infrastruttura" del mondo intelligente nell'era dell'intelligenza artificiale a una velocità incredibile?
I fotoni prendono il posto degli elettroni
Rispetto ai più tradizionali chip elettronici, i chip fotonici sono un nuovo tipo di chip che utilizzano le proprietà dei fotoni per calcolare.
In sostanza, i chip si basano sulle proprietà fisiche dei materiali a semiconduttore per manipolare le particelle microscopiche che trasportano informazioni, ma diversi tipi di chip usano diversi portatori di particelle. "I chip fotonici usano i fotoni per generare, elaborare, trasmettere e visualizzare informazioni", ha affermato Lei Mi, partner fondatore di China Innovation Star.
Rispetto agli elettroni, i vantaggi dei fotoni sono evidenti: hanno un tempo di risposta molto rapido per la trasmissione delle informazioni, 3-4 ordini di magnitudo maggiore capacità di informazione rispetto agli elettroni, stoccaggio forte, calcolo e persino capacità di interconnessione parallela e consumo di energia ultra-low ... è evidente quali potenziali vantaggi significano per l'industria delle informazioni.
Ora, con l'avvento dell'era dell'intelligenza artificiale, la domanda di potere di calcolo è in aumento. Tuttavia, lo sviluppo di chip elettronici ha raggiunto il limite dei costi fisici ed economici e il "fallimento della legge di Moore" è costantemente ascoltato.
I chip elettronici si basano sul silicio, con atomi di silicio che hanno un diametro di circa 0. 22 nanometri. Quando il processo è ridotto a meno di 7 nanometri, i chip elettronici sono altamente suscettibili ai problemi elettrici e ai problemi di rottura degli elettroni, rendendo difficile controllare perfettamente gli elettroni. Nell'ondata di grandi modelli emersi nel 2023, le carenze dei chip elettronici tradizionali sono diventate evidenti.
Photonics Chips anatratta una nuova alba. Non solo promettono di affrontare le sfide insormontabili del consumo di energia e dell'accesso alla memoria nei chip elettronici, ma danno anche vita a numerosi scenari di applicazione innovativi. In linea con questo, i percorsi ottici sostituiscono i circuiti elettrici e le fonti laser prendono il posto degli alimentatori ... eliminando la necessità di conversione fotoelettrica, è possibile bypassare i limiti fisici esistenti e rompere il collo di bottiglia computazionale dei chip. Attualmente, la competizione in questo campo è già iniziata tra le migliori istituzioni di ricerca sia a livello nazionale che internazionale.
Nell'aprile di quest'anno, un team di ricerca della Tsinghua University ha aperto la strada a un'architettura di calcolo ottico intelligente distribuito nel mondo. Hanno progettato un chip fotonico -- "Taiji" per attività AI avanzate, che ha un'efficienza energetica da 2 a 3 ordini di grandezza superiore a quello dei chip intelligenti esistenti e può fornire supporto al potere di elaborazione per compiti come analisi intelligenti di grandi scene e ragionamento e ragionamento di grandi modelli.
A maggio, un team di ricerca presso l'Istituto di Microsystem e la tecnologia dell'informazione della cinese Academy of Sciences cinese ha sviluppato un wafer etero-integrato al litio tantalato, che è stato utilizzato anche per la prima volta per realizzare chip fotonici ad alte prestazioni e prodotti in serie.
Il chip di Photon non è davvero lontano?
Come domare la luce?
Oltre a aspettare con impazienza il futuro, pensiamo di più a come funzionano i chip della fotonica?
Un chip elettronico è costituito da un transistor elettronico e un filo di rame conduttivo. Un chip fotonico è costituito da un transistor fotonico e una guida d'onda che conduce luce. La guida d'onda è il mezzo per la propagazione della luce, come la fibra ottica familiare.
Secondo le loro funzioni, i chip fotonici possono essere divisi in due categorie: chip laser e chip del rivelatore. I chip laser devono utilizzare l'energia elettrica della corrente iniettata da materiali a semiconduttore per realizzare la conversione di elettricità e luce. I chip del rivelatore identificano i segnali ottici attraverso l'effetto fotoelettrico e li convertono in segnali elettrici.
Come controllare l'uscita della luce? Idealmente, sarebbe un transistor completamente ottico guidato e controllato dalla luce. Tuttavia, la tecnologia non è ancora matura; I chip fotonici puri sono ancora nella fase concettuale e i componenti di base dei chip fotonici sono ancora dispositivi ibridi elettro-ottici che usano la luce per la guida e l'elettricità per il controllo. Basato sulla modulazione optoelettronica, l'Università di Tsinghua ha lanciato il chip Taiji II nell'agosto di quest'anno, raggiungendo la formazione online delle reti neurali ottiche senza la necessità di una GPU.
Attraverso l'integrazione dei dispositivi ibridi elettro-ottici, l'intero processo di modulazione, trasmissione e demodulazione tra segnali ottici e segnali elettrici è integrato su un singolo substrato. Ciò costituisce la base per l'elaborazione dei dati ad alta velocità nei chip. Grazie al vantaggio della dimensione della lunghezza d'onda delle onde luminose, i chip fotonici possono essere fabbricati utilizzando processi maturi con lunghezze d'onda piccoli come cento nanometri, consentendo una produzione interna completa di questi chip.
Dove verranno usati i chip dei fotoni?
Come ho detto, i chip fotonici hanno il potenziale per sfondare il collo di bottiglia di potenza di calcolo di chip elettronici. Inoltre, quali altre aree possono essere utilizzate?
È noto che la velocità della luce è la più veloce conosciuta nell'universo. Sfruttando le caratteristiche di trasmissione ad alta velocità della luce, la prima cosa che viene in mente con chip fotonico è il trasferimento di dati ad alta velocità. "Fibra Optic Network + Fiton Fili" indica una nuova era di comunicazione ad alta velocità. Inoltre, la resistenza alle interferenze dei chip fotonici consente anche al radar fotonico di diventare realtà.
Anche l'applicazione di chip fotonici in altri campi è promettente. Ad esempio, nella biomedicina, i chip fotonici possono essere utilizzati per l'imaging ottico e l'analisi spettroscopica, consentendo un rapido rilevamento e analisi di cellule, tessuti e farmaci. Nel monitoraggio ambientale, i chip fotonici possono essere applicati ai sensori di gas e al monitoraggio dell'inquinamento, rendendo più efficiente il monitoraggio in tempo reale e la valutazione della qualità ambientale.
I chip di calcolo ottici stanno iniziando a uscire dal laboratorio e gli scienziati sperano che dopo una serie di sforzi ingegneristici, i chip fotonici commerciali possano essere prodotti in modo stabile il più presto possibile. Ciò significa che il costo dei chip fotonici può essere ampiamente accettato dal settore.
