"Bạn có tin vào ánh sáng không?" Nếu một người đam mê chip hỏi bạn câu hỏi này, thì đó không phải là anh ta đột nhiên là một người hâm mộ Ultraman. Đó là anh ấy bắt đầu nhận thấy rằng "ánh sáng" đang bắt đầu khuấy động thế giới chip.
Giải thưởng Nobel về vật lý năm 2023 đã được trao cho "Công nghệ xung ánh sáng bất đối xứng" và "Cách sử dụng ánh sáng để tính toán" cũng đã trở thành một chủ đề quan trọng trong ngành công nghiệp và học viện. Có thể ánh sáng, có thể nhanh chóng tự nhiên, hoàn thành việc nâng cấp "cơ sở hạ tầng" của thế giới thông minh trong kỷ nguyên trí tuệ nhân tạo với tốc độ đáng kinh ngạc?
Photon tiếp quản từ các electron
So với các chip điện tử truyền thống hơn, chip quang tử là một loại chip mới sử dụng các tính chất của photon để tính toán.
Về bản chất, chip dựa vào các tính chất vật lý của vật liệu bán dẫn để thao tác các hạt siêu nhỏ mang thông tin, nhưng các loại chip khác nhau sử dụng các chất mang hạt khác nhau. "Các chip photonic sử dụng các photon để tạo ra, xử lý, truyền tải và hiển thị thông tin", Lei Mi, đối tác sáng lập của Trung Quốc đổi mới.
So với các electron, những lợi thế của các photon là rõ ràng: chúng có thời gian phản hồi rất nhanh để truyền thông tin, 3-4 đơn đặt hàng có dung lượng thông tin cao hơn so với electron, lưu trữ mạnh, tính toán và thậm chí khả năng kết nối song song và tiêu thụ năng lượng cực thấp ... Đó là sự tự xác định những lợi thế này có ý nghĩa gì đối với ngành công nghiệp thông tin.
Bây giờ, với sự ra đời của thời đại của trí tuệ nhân tạo, nhu cầu về sức mạnh máy tính đang tăng lên. Tuy nhiên, sự phát triển của chip điện tử đã đạt đến giới hạn chi phí thể chất và kinh tế, và "sự thất bại của luật của Moore" liên tục được lắng nghe.
Các chip điện tử dựa trên silicon, với các nguyên tử silicon có đường kính khoảng 0. 22 nanomet. Khi quá trình giảm xuống dưới 7 nanomet, chip điện tử rất dễ bị tăng điện và các vấn đề phân hủy điện tử, gây khó khăn cho việc kiểm soát hoàn hảo các electron. Trong làn sóng của các mô hình lớn xuất hiện vào năm 2023, những thiếu sót của các chip điện tử truyền thống đã trở nên rõ ràng.
Photonics chip báo một bình minh mới. Họ không chỉ hứa sẽ giải quyết những thách thức không thể vượt qua về mức tiêu thụ năng lượng và truy cập bộ nhớ trong chip điện tử mà còn tạo ra nhiều kịch bản ứng dụng sáng tạo. Theo điều này, các đường dẫn quang thay thế các mạch điện và các nguồn laser thay thế các nguồn cung cấp năng lượng ... Bằng cách loại bỏ sự cần thiết phải chuyển đổi quang điện, có thể bỏ qua các giới hạn vật lý hiện có và vượt qua nút thắt tính toán của chip. Hiện tại, cuộc thi trong lĩnh vực này đã bắt đầu giữa các tổ chức nghiên cứu hàng đầu cả trong nước và quốc tế.
Vào tháng Tư năm nay, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Tsinghua đã đi tiên phong trong một kiến trúc điện toán quang học thông minh phân tán trên thế giới. Họ đã thiết kế một chip quang tử -- "Taiji" cho các nhiệm vụ AI tiên tiến, có hiệu quả năng lượng cao 2 đến 3 đơn hàng cao hơn so với các chip thông minh hiện có và có thể cung cấp hỗ trợ điện toán cho các nhiệm vụ như phân tích thông minh về các cảnh lớn và đào tạo và lý luận của các mô hình lớn.
Vào tháng 5, một nhóm nghiên cứu tại Viện Microsystem và Công nghệ thông tin Thượng Hải của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã phát triển một wafer tích hợp hetero hetero lithium tantalate, cũng được sử dụng lần đầu tiên để tạo ra các chip quang học hiệu suất cao và sản xuất hàng loạt.
Có phải chip photon thực sự không xa?
Làm thế nào để chế ngự ánh sáng?
Ngoài việc mong chờ tương lai, chúng ta hãy suy nghĩ thêm về cách thức hoạt động của các photonics?
Một con chip điện tử được tạo thành từ một bóng bán dẫn điện tử và dây đồng dẫn điện. Một chip quang tử được tạo thành từ một bóng bán dẫn quang tử và ống dẫn sóng dẫn ánh sáng. Ống dẫn sóng là môi trường để lan truyền ánh sáng, chẳng hạn như sợi quang quen thuộc.
Theo chức năng của chúng, chip quang tử có thể được chia thành hai loại: chip laser và chip máy dò. Các chip laser cần sử dụng năng lượng điện của dòng điện được tiêm bằng vật liệu bán dẫn để nhận ra việc chuyển đổi điện và ánh sáng. Các chip máy dò xác định tín hiệu quang học thông qua hiệu ứng quang điện và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện.
Làm thế nào để kiểm soát đầu ra ánh sáng? Lý tưởng nhất, nó sẽ là một bóng bán dẫn quang hoàn toàn được điều khiển và điều khiển bởi ánh sáng. Tuy nhiên, công nghệ chưa trưởng thành; Các chip photonic tinh khiết vẫn đang trong giai đoạn khái niệm và các thành phần cơ bản của chip quang tử vẫn là các thiết bị lai điện quang sử dụng ánh sáng để lái xe và điện để kiểm soát. Dựa trên điều chế quang điện tử, Đại học Tsinghua đã ra mắt chip Taiji II vào tháng 8 năm nay, đạt được đào tạo trực tuyến các mạng lưới thần kinh quang học mà không cần GPU.
Thông qua việc tích hợp các thiết bị lai quang điện, toàn bộ quá trình điều chế, truyền và giải điều chế giữa các tín hiệu quang và tín hiệu điện được tích hợp trên một chất nền. Điều này tạo thành nền tảng để xử lý dữ liệu tốc độ cao trong chip. Nhờ lợi thế kích thước bước sóng của sóng ánh sáng, các chip quang tử có thể được chế tạo bằng các quá trình trưởng thành với bước sóng nhỏ như hàng trăm nanomet, cho phép sản xuất hoàn toàn các chip này trong nước.
Các chip photon sẽ được sử dụng ở đâu?
Như tôi đã nói, chip quang tử có khả năng vượt qua nút thắt điện tính của chip điện tử. Ngoài ra, những khu vực khác chúng có thể được sử dụng?
Người ta biết rằng tốc độ ánh sáng là nhanh nhất được biết đến trong vũ trụ. Tận dụng các đặc tính truyền tốc độ cao của ánh sáng, điều đầu tiên xuất hiện trong tâm trí với chip quang tử là truyền dữ liệu tốc độ cực cao. "Mạng sợi quang + chip photonic" biểu thị một kỷ nguyên mới của giao tiếp tốc độ cao. Hơn nữa, khả năng chống nhiễu của chip quang tử cũng giúp radar quang tử có thể trở thành hiện thực.
Việc áp dụng các chip quang tử trong các lĩnh vực khác cũng rất hứa hẹn. Ví dụ, trong y sinh, chip quang tử có thể được sử dụng để hình ảnh quang học và phân tích quang phổ, cho phép phát hiện và phân tích nhanh chóng các tế bào, mô và thuốc. Trong giám sát môi trường, các chip quang tử có thể được áp dụng cho các cảm biến khí và giám sát ô nhiễm, làm cho giám sát và đánh giá thời gian thực về chất lượng môi trường hiệu quả hơn.
Các chip điện toán quang học đang bắt đầu rời khỏi phòng thí nghiệm và các nhà khoa học hy vọng rằng sau một loạt các nỗ lực kỹ thuật, chip quang tử thương mại có thể được sản xuất một cách ổn định càng sớm càng tốt. Điều đó có nghĩa là chi phí của chip quang tử có thể được ngành công nghiệp chấp nhận rộng rãi.
