"Kas sa usud valgusesse?" Kui kiibihuviast küsib teilt seda küsimust, pole see nii, et ta oleks äkki ultramaanfänn. See on see, et ta hakkab märkama, et "valgus" hakkab kiibimaailma segama.
2023. aasta Nobeli füüsikapreemia pälvis "asümmeetrilise valgusempulsi tehnoloogia" ja "kuidas arvutamiseks valgust kasutada" on muutunud ka oluliseks teemaks tööstuses ja akadeemilistes ringkondades. Kas valgus, mis on loomulikult kiire, saab intelligentse maailma "infrastruktuuri" uuendamise tehisintellekti ajastul uskumatul kiirusel?
Footonid võtavad elektronidelt üle
Võrreldes traditsioonilisemate elektrooniliste laastudega on fotoonilised kiibid uut tüüpi laastud, mis kasutavad arvutamiseks footonite omadusi.
Sisuliselt tuginevad kiibid teabe kandvate mikroskoopiliste osakestega manipuleerimiseks pooljuhtmaterjalide füüsikalisi omadusi, kuid erinevat tüüpi kiibid kasutavad erinevaid osakeste kandjaid. "Fotoonilised kiibid kasutavad footonite teabe genereerimiseks, töötlemiseks, edastamiseks ja kuvamiseks," ütles Lei MI, China Innovation Stari asutajapartner.
Võrreldes elektronidega on footonite eelised ilmsed: neil on väga kiire reageerimise aeg teabe edastamiseks, 3-4 suurusjärkude suurusjärgus kui elektronid, tugev salvestusruum, arvutamine ja isegi paralleelsed ühendusvõimalused ning ultra-madal energiatarbimine ... on iseenesestmõistetav, millised potentsiaalsed need eelised tähendavad infotööstust.
Nüüd, tehisintellekti ajastu tulekuga, tõuseb nõudlus arvutusvõimsuse järele. Elektrooniliste kiipide areng on jõudnud füüsiliste ja majanduslike kulude piirini ning "Moore'i seaduse ebaõnnestumine" on pidevalt kuulda.
Elektroonilised kiibid põhinevad räni, räni aatomite läbimõõt on umbes 0. 22 nanomeetrit. Kui protsess vähendatakse alla 7 nanomeetrini, on elektroonilised kiibid elektriliste tõusude ja elektronide lagunemisprobleemide suhtes väga vastuvõtlikud, muutes elektronide täiusliku juhtimise keeruliseks. 2023. aastal tekkinud suurte mudelite laines on ilmnenud traditsiooniliste elektrooniliste laastude puudused.
Fototonite kiibid kuulutavad uut koidikut. Nad ei luba mitte ainult käsitleda energiatarbimise ja mälu juurdepääsu ületamatuid väljakutseid elektroonilistes kiipides, vaid ka põhjustada arvukalt uuenduslikke rakenduse stsenaariume. Kooskõlas sellega asendavad optilised teed elektrikeskkonnad ja laseriallikad asuvad toiteallikate asemele ... Fotoelektrilise muundamise vajaduse kõrvaldamisega on võimalik olemasolevatest füüsilistest piiridest mööda minna ja puruneda kiibide arvutuslikust kitsaskohast. Praegu on konkurents selles valdkonnas juba alanud nii kodumaal kui ka rahvusvaheliselt parimate teadusasutuste seas.
Selle aasta aprillis pidas Tsinghua ülikooli uurimisrühm maailma hajutatud intelligentse optilise andmetöötluse arhitektuuri. Nad kavandasid edasijõudnute AI -ülesannete jaoks fotoonilise kiibi -- "Taiji", millel on energiatõhusus 2–3 suurusjärku kõrgem kui olemasolevatel intelligentsetel kiipidel, ja see võib pakkuda arvutusvõimsuse tuge ülesannete jaoks nagu suurte stseenide intelligentne analüüs ning suurte mudelite väljaõpe ja põhjendamine.
Mais töötas Hiina Teaduste Akadeemia Shanghai mikrosüsteemi ja infotehnoloogia instituudi uurimisrühm välja liitiumi tantalaadi hetero-integreeritud vahvli, mida kasutati ka esimest korda suure jõudlusega ja massiliselt toodetud fotooniliste laastude valmistamiseks.
Kas footonkiip pole tegelikult kaugel?
Kuidas valgust taltsutada?
Lisaks tulevikku ootamisele mõtleme rohkem, kuidas fotoonika kiibid toimivad?
Elektrooniline kiip koosneb elektroonilisest transistorist ja juhtivast vasktraadist. Fotooniline kiip koosneb fotoonilisest transistorist ja valgust juhtivast lainejuhist. Lainejuh on valguse levimiseks mõeldud sööde, näiteks tuttav optiline kiud.
Nende funktsioonide kohaselt võib fotoonilised kiibid jagada kahte kategooriasse: laserkiibid ja detektorid. Laserkiibid peavad elektri ja valguse muundamise mõistmiseks kasutama pooljuhtmaterjalide poolt süstitud voolu elektrienergiat. Detektorilaastud tuvastavad fotoelektrilise efekti abil optilised signaalid ja teisendavad need elektrilisteks signaalideks.
Kuidas valguse väljundit juhtida? Ideaalis oleks see täielikult optiline transistor, mis on suunatud valguse poolt. Kuid tehnoloogia pole veel küps; Puhtad fotoonilised kiibid on endiselt kontseptuaalses etapis ja fotooniliste laastude põhikomponendid on endiselt elektro-optilised hübriidseadmed, mis kasutavad juhtimiseks valgust ja elektrienergiat. Optoelektroonilise modulatsiooni põhjal käivitas Tsinghua ülikool Taiji II kiibi selle aasta augustis, saavutades optiliste närvivõrkude veebikoolituse ilma GPU vajaduseta.
Elektrooptiliste hübriidseadmete integreerimise kaudu on ühele substraadile integreeritud kogu modulatsiooni, ülekande ja demodulatsiooni protsess optiliste signaalide ja elektriliste signaalide vahel. See on vundament kiibil kiires kiirides. Tänu valguselainete lainepikkuse suurusele saab fotoonilisi laastud valmistada küpsete protsesside abil, mille lainepikkus on nii väike kui sada nanomeetrit, mis võimaldab nende kiipide täielikku kodumaist tootmist.
Kus kasutatakse footonite laastu?
Nagu ma ütlesin, on fotooniliste kiipide potentsiaal elektrooniliste laastude arvutusvõimsuse kitsaskohast läbi murda. Lisaks, milliseid muid valdkondi neid saab kasutada?
On hästi teada, et valguse kiirus on universumis kõige kiiremini tuntud. Valguse kiireid ülekandeomadusi võimendades on esimene asi, mis fotooniliste kiipide abil meelde tuleb, ülikõrge andmeedastus. "Kiudoptiline võrk + fotooniline kiip" tähistab kiiret suhtlemist uut ajastut. Lisaks võimaldab fotooniliste kiipide häiretakistus ka fotoonilise radari reaalsuseks saada.
Samuti on paljulubav fotooniliste kiipide rakendamine teistes valdkondades. Näiteks biomeditsiinis saab optiliseks kuvamiseks ja spektroskoopiliseks analüüsiks kasutada fotoonilisi kiip, võimaldades rakkude, kudede ja ravimite kiiret tuvastamist ja analüüsi. Keskkonnaseire korral saab fotoonilise kiipi rakendada gaasianduritele ja reostuse jälgimisele, muutes keskkonnakvaliteedi reaalajas jälgimise ja hindamise tõhusamaks.
Optilised arvutuskiibid on hakanud laborist välja liikuma ja teadlased loodavad, et pärast inseneritegevuse seeriat saab võimalikult kiiresti toota kommertsfotoonilisi kiip. See tähendab, et tööstusharud saavad fooniliste laastude kulud laialdaselt aktsepteerida.
