"Πιστεύεις στο φως;" Εάν ένας ενθουσιώδης τσιπ σας ρωτήσει αυτή την ερώτηση, δεν είναι ότι είναι ξαφνικά ένας ανεμιστήρας Ultraman. Είναι ότι αρχίζει να παρατηρεί ότι το "φως" αρχίζει να ανακατεύει τον κόσμο των τσιπ.
Το βραβείο Νόμπελ της Φυσικής του 2023 απονεμήθηκε στην "ασύμμετρη τεχνολογία Pulse Pulse" και "Πώς να χρησιμοποιήσετε το φως για να υπολογίσετε" έχει επίσης γίνει ένα σημαντικό θέμα στη βιομηχανία και τον ακαδημαϊκό κόσμο. Μπορεί το φως, το οποίο είναι φυσικά γρήγορο, να ολοκληρώσει την αναβάθμιση της "υποδομής" του έξυπνου κόσμου στην εποχή της τεχνητής νοημοσύνης με απίστευτη ταχύτητα;
Τα φωτόνια αναλαμβάνουν από ηλεκτρόνια
Σε σύγκριση με τα πιο παραδοσιακά ηλεκτρονικά τσιπ, τα φωτονικά τσιπ είναι ένας νέος τύπος τσιπ που χρησιμοποιούν τις ιδιότητες των φωτονίων για να υπολογίσουν.
Στην ουσία, τα τσιπ βασίζονται στις φυσικές ιδιότητες των υλικών ημιαγωγών για να χειριστούν μικροσκοπικά σωματίδια που φέρουν πληροφορίες, αλλά διαφορετικοί τύποι τσιπ χρησιμοποιούν διαφορετικούς φορείς σωματιδίων. "Τα Photonic Chips χρησιμοποιούν φωτόνια για να παράγουν, να επεξεργάζονται, να μεταδίδουν και να προβάλλουν πληροφορίες", δήλωσε ο Lei Mi, ιδρυτικός συνεργάτης της China Innovation Star.
Σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, τα πλεονεκτήματα των φωτονίων είναι προφανή: έχουν πολύ γρήγορο χρόνο απόκρισης για τη μετάδοση πληροφοριών, 3-4 παραγγελίες μεγέθους υψηλότερης ικανότητας πληροφόρησης από τα ηλεκτρόνια, την ισχυρή αποθήκευση, την πληροφορική και ακόμη και τις παράλληλες δυνατότητες διασύνδεσης και την εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας ... είναι αυτονόητο ποια είναι αυτά τα πλεονεκτήματα για τη βιομηχανία πληροφοριών.
Τώρα, με την έλευση της εποχής της τεχνητής νοημοσύνης, η ζήτηση για υπολογιστική δύναμη αυξάνεται. Ωστόσο, η ανάπτυξη ηλεκτρονικών τσιπ έχει φτάσει στο όριο του φυσικού και οικονομικού κόστους και η "αποτυχία του νόμου του Moore" ακουστεί συνεχώς.
Τα ηλεκτρονικά τσιπ βασίζονται σε πυρίτιο, με άτομα πυριτίου που έχουν διάμετρο περίπου 0. Όταν η διαδικασία μειώνεται σε κάτω από 7 νανομετρικά, τα ηλεκτρονικά τσιπ είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε ηλεκτρικά υπερκείμενα και προβλήματα διάσπασης ηλεκτρονίων, καθιστώντας δύσκολη την τέλεια έλεγχο των ηλεκτρόνων. Στο κύμα μεγάλων μοντέλων που εμφανίστηκαν το 2023, οι αδυναμίες των παραδοσιακών ηλεκτρονικών τσιπ έχουν γίνει εμφανές.
Η Photonics τσιπς προέρχεται από μια νέα αυγή. Δεν υπόσχονται μόνο να αντιμετωπίσουν τις ανυπέρβλητες προκλήσεις της κατανάλωσης ενέργειας και της πρόσβασης στη μνήμη σε ηλεκτρονικά τσιπ, αλλά επίσης δημιουργούν πολυάριθμα καινοτόμα σενάρια εφαρμογών. Σύμφωνα με αυτό, οι οπτικές διαδρομές αντικαθιστούν τα ηλεκτρικά κυκλώματα και οι πηγές λέιζερ αντικαθιστούν τα τροφοδοτικά ... εξαλείφοντας την ανάγκη για φωτοηλεκτρική μετατροπή, είναι δυνατόν να παρακάμψετε τα υπάρχοντα φυσικά όρια και να σπάσετε την υπολογιστική συμφόρηση των τσιπς. Επί του παρόντος, ο διαγωνισμός στον τομέα αυτό έχει ήδη αρχίσει μεταξύ των κορυφαίων ερευνητικών ιδρυμάτων τόσο σε εγχώριο όσο και σε διεθνές επίπεδο.
Τον Απρίλιο του τρέχοντος έτους, μια ερευνητική ομάδα από το πανεπιστήμιο Tsinghua πρωτοστάτησε σε μια κατανεμημένη ευφυής αρχιτεκτονική οπτικής πληροφορικής στον κόσμο. Σχεδίασαν ένα φωτονικό τσιπ -- "Taiji" για προχωρημένες εργασίες AI, οι οποίες διαθέτουν ενεργειακή απόδοση 2 έως 3 τάξεις μεγέθους υψηλότερες από αυτές των υφιστάμενων ευφυών μάρκες και μπορούν να παρέχουν υπολογιστική υποστήριξη ισχύος για εργασίες όπως έξυπνη ανάλυση μεγάλων σκηνών και κατάρτισης και συλλογισμού μεγάλων μοντέλων.
Τον Μάιο, μια ερευνητική ομάδα στο Ινστιτούτο Μικροσυστήματος και Τεχνολογίας Πληροφορίας της Σαγκάης της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών ανέπτυξε ένα ετερο-ενσωματωμένο πτερύγιο λιθίου, η οποία χρησιμοποιήθηκε επίσης για πρώτη φορά για να κάνει υψηλής απόδοσης και μαζικής παραγωγής φωτονικών τσιπς.
Το τσιπ φωτονίων δεν είναι πολύ μακριά;
Πώς να δαμάσετε το φως;
Εκτός από την ανυπομονησία για το μέλλον, ας σκεφτούμε περισσότερα για το πώς λειτουργούν τα τσιπ φωτονικά;
Ένα ηλεκτρονικό τσιπ αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό τρανζίστορ και ένα αγώγιμο σύρμα χαλκού. Ένα φωτονικό τσιπ αποτελείται από ένα φωτονικό τρανζίστορ και έναν κυματοδηγό που διεξάγει φως. Ο κυματοδηγός είναι το μέσο για τη διάδοση του φωτός, όπως η γνωστή οπτική ίνα.
Σύμφωνα με τις λειτουργίες τους, τα φωτονικά τσιπ μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: τσιπ λέιζερ και τσιπ ανιχνευτών. Τα τσιπ λέιζερ πρέπει να χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια του εγχυμένου ρεύματος από υλικά ημιαγωγών για να πραγματοποιήσουν τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας και του φωτός. Τα τσιπ ανιχνευτών εντοπίζουν οπτικά σήματα μέσω φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος και τα μετατρέπουν σε ηλεκτρικά σήματα.
Πώς να ελέγξετε την έξοδο φωτός; Στην ιδανική περίπτωση, θα ήταν ένα πλήρως οπτικό τρανζίστορ που οδηγείται και ελέγχεται από το φως. Ωστόσο, η τεχνολογία δεν είναι ακόμη ώριμη. Οι καθαρές φωτονικές τσιπ παραμένουν στο εννοιολογικό στάδιο και τα βασικά συστατικά των φωτονικών τσιπ εξακολουθούν να είναι ηλεκτρο-οπτικές υβριδικές συσκευές που χρησιμοποιούν φως για οδήγηση και ηλεκτρική ενέργεια για έλεγχο. Με βάση την οπτικοηλεκτρονική διαμόρφωση, το Πανεπιστήμιο Tsinghua ξεκίνησε το τσιπ Taiji II τον Αύγουστο του τρέχοντος έτους, επιτυγχάνοντας ηλεκτρονική εκπαίδευση οπτικών νευρωνικών δικτύων χωρίς την ανάγκη GPU.
Μέσω της ενσωμάτωσης των ηλεκτρο-οπτικών υβριδικών συσκευών, ολόκληρη η διαδικασία διαμόρφωσης, μετάδοσης και αποδιαμόρφωσης μεταξύ οπτικών σημάτων και ηλεκτρικών σημάτων ενσωματώνεται σε ένα μόνο υπόστρωμα. Αυτό αποτελεί το θεμέλιο για επεξεργασία δεδομένων υψηλής ταχύτητας σε μάρκες. Χάρη στο πλεονέκτημα μεγέθους μήκους κύματος των φωτεινών κυμάτων, τα φωτονικά τσιπ μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας ώριμες διαδικασίες με μήκη κύματος τόσο μικρά όσο και εκατό νανομέτες, επιτρέποντας την πλήρη εγχώρια παραγωγή αυτών των τσιπς.
Πού θα χρησιμοποιηθούν τα τσιπ φωτονίων;
Όπως είπα, οι φωτονικές μάρκες έχουν τη δυνατότητα να σπάσουν την υπολογιστική ισχύος των ηλεκτρονικών τσιπς. Επιπλέον, ποιοι άλλοι τομείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν;
Είναι γνωστό ότι η ταχύτητα του φωτός είναι η ταχύτερη γνωστή στο σύμπαν. Αξιοποιώντας τα χαρακτηριστικά μετάδοσης υψηλής ταχύτητας του φωτός, το πρώτο πράγμα που έρχεται στο μυαλό με τα φωτονικά τσιπ είναι η μεταφορά δεδομένων εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας. Το "Δίκτυο οπτικών ινών + φωτονικό τσιπ" σημαίνει μια νέα εποχή επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας. Επιπλέον, η αντίσταση των παρεμβολών των φωτονικών τσιπ καθιστά επίσης τη δυνατότητα για το φωτονικό ραντάρ να γίνει πραγματικότητα.
Η εφαρμογή φωτονικών τσιπ σε άλλους τομείς είναι επίσης υποσχόμενη. Για παράδειγμα, στη βιοϊατρική, τα φωτονικά τσιπ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για οπτική απεικόνιση και φασματοσκοπική ανάλυση, επιτρέποντας την ταχεία ανίχνευση και ανάλυση των κυττάρων, των ιστών και των φαρμάκων. Κατά την παρακολούθηση του περιβάλλοντος, τα φωτονικά τσιπ μπορούν να εφαρμοστούν στους αισθητήρες αερίου και στην παρακολούθηση της ρύπανσης, καθιστώντας την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο και την αξιολόγηση της ποιότητας του περιβάλλοντος πιο αποτελεσματική.
Τα οπτικά υπολογιστικά τσιπ αρχίζουν να μετακινούνται από το εργαστήριο και οι επιστήμονες ελπίζουν ότι μετά από μια σειρά από προσπάθειες μηχανικής, οι εμπορικές φωτονικές μάρκες μπορούν να παραχθούν με σταθερό τρόπο το συντομότερο δυνατό. Αυτό σημαίνει ότι το κόστος των φωτονικών τσιπ μπορεί να γίνει ευρέως αποδεκτό από τη βιομηχανία.
