「あなたは光を信じますか？」チップ愛好家があなたにこの質問をするなら、それは彼が突然ウルトラマンのファンになっているわけではありません。彼は、「光」がチップの世界をかき立て始めていることに気づき始めているということです。
2023年の物理学のノーベル賞は、「非対称の光パルス技術」に授与され、「光を計算する方法」も業界と学界で重要なトピックになりました。自然に高速な光が、信じられないほどの速度で人工知能の時代における知的世界の「インフラストラクチャ」のアップグレードを完了することができますか？
光子は電子から引き継がれます
より従来の電子チップと比較して、フォトニックチップは、光子の特性を使用して計算する新しいタイプのチップです。
本質的に、チップは半導体材料の物理的特性に依存して情報を運ぶ顕微鏡粒子を操作しますが、異なるタイプのチップは異なる粒子キャリアを使用します。 「フォトニックチップは光子を使用して情報を生成、処理、送信、表示します」と、中国のイノベーションスターの創設パートナーであるレイミは述べています。
電子と比較して、光子の利点は明らかです。情報伝達のための非常に速い応答時間、3-4電子、強力な貯蔵、コンピューティング、さらには並列相互接続能力、さらには超低エネルギー消費量よりも数桁高い情報容量があります...それは、情報業界にとってこれらの利点が意味するものです。
現在、人工知能の時代の出現により、コンピューティングパワーの需要が高まっています。しかし、電子チップの開発は身体的および経済的コストの限界に達し、「ムーアの法律の失敗」は絶えず聞かれています。
電子チップはシリコンに基づいており、シリコン原子の直径は約0。22ナノメートルです。プロセスが7ナノメートル未満に縮小されると、電子チップは電気サージや電子故障の問題を非常に受けやすく、電子を完全に制御することが困難になります。 2023年に出現した大規模なモデルの波では、従来の電子チップの欠点が明らかになりました。
フォトニックチップは新しい夜明けを告げます。彼らは、電子チップでの消費電力とメモリアクセスの乗り越えられない課題に対処することを約束するだけでなく、多くの革新的なアプリケーションシナリオを生じさせます。これに沿って、光学パスは電気回路を置き換え、レーザー源は電源の代わりになります...光電気変換の必要性を排除することにより、既存の物理的限界をバイパスしてチップの計算ボトルネックを突破することができます。現在、この分野での競争は、国内および国際的にの両方のトップ研究機関の間ですでに始まっています。
今年4月、Tsinghua Universityの研究チームは、世界の分散幅のインテリジェントな光学コンピューティングアーキテクチャを開拓しました。彼らは、既存のインテリジェントチップのエネルギー効率よりも2〜3桁高いエネルギー効率を持つ高度なAIタスク用に、フォトニックチップ-- "Taiji"を設計し、大規模なシーンやトレーニングや大規模モデルの推論などのタスクのコンピューティングパワーサポートを提供できます。
5月、中国科学アカデミーの上海環境情報技術研究所の研究チームは、リチウムタンタル酸ヘテロ統合ウェーハを開発しました。
フォトンチップは本当に遠くないのですか？
光を飼いならす方法は？
将来を楽しみにしていることに加えて、フォトニクスチップの仕組みについてもっと考えてみましょう。
電子チップは、電子トランジスタと導電性銅線で構成されています。フォトニックチップは、フォトニックトランジスタと光を伝導する導波路で構成されています。導波路は、おなじみの光ファイバーなどの光伝播の媒体です。
それらの機能によれば、フォトニックチップは、レーザーチップと検出器チップの2つのカテゴリに分けることができます。レーザーチップは、電気と光の変換を実現するために、半導体材料によって注入電流の電気エネルギーを使用する必要があります。検出器チップは、光電効果を介して光信号を識別し、電気信号に変換します。
光出力を制御する方法は？理想的には、それは完全に光学的なトランジスタ駆動型であり、光によって制御されます。ただし、この技術はまだ成熟していません。純粋なフォトニックチップはまだ概念的段階にあり、フォトニックチップの基本的なコンポーネントは、駆動に光と制御に電気を使用する電気光学ハイブリッドデバイスです。オプトエレクトロニクス変調に基づいて、Tsinghua大学は今年8月にTaiji IIチップを開始し、GPUを必要とせずに光学ニューラルネットワークのオンライントレーニングを達成しました。
電気光学ハイブリッドデバイスの統合を通じて、光学信号と電気信号の間の変調、伝送、および復調のプロセス全体が単一の基質に統合されます。これにより、チップ内の高速データ処理の基礎が形成されます。光波の波長サイズの利点のおかげで、フォトニックチップは、100ナノメートルの波長を持つ成熟したプロセスを使用して製造でき、これらのチップの完全な国内生産を可能にします。
フォトンチップはどこで使用されますか？
私が言ったように、フォトニックチップは、電子チップのコンピューティングパワーボトルネックを突破する可能性があります。さらに、他にどのような領域を使用できますか？
光の速度が宇宙で最も早く知られていることはよく知られています。光の高速透過特性を活用すると、フォトニックチップで最初に思い浮かぶのは、超高速データ転送です。 「光ファイバーネットワーク +フォトニックチップ」は、高速通信の新しい時代を意味します。さらに、フォトニックチップの干渉抵抗により、フォトニックレーダーが現実になることもできます。
他のフィールドでのフォトニックチップの適用も有望です。たとえば、生物医学では、光学画像化と分光分析にフォトニックチップを使用して、細胞、組織、薬物の迅速な検出と分析を可能にします。環境監視では、フォトニックチップをガスセンサーと汚染監視に適用でき、環境品質のリアルタイム監視と評価をより効率的にします。
光学コンピューティングチップはラボから移動し始めており、科学者は、一連のエンジニアリングの取り組みの後、できるだけ早く安定した方法で商用フォトニックチップを生産できることを望んでいます。つまり、フォトニックチップのコストは、業界に広く受け入れられる可能性があります。
