論光芯片研發進展，光芯片將實現算力提升、能耗降低的“使命”
近年來，由于各種因素，中國的芯片產業得到了迅速的發展。其中，光子芯片技術的突破，更是引起了廣泛的關注。
相較于傳統的電子芯片，光子芯片采用了光子學原理，將信息通過光信號的傳輸進行處理，具有高速、低能耗等優勢。而中國的光子芯片技術，已經取得了世界領先的成果，與美國等國家相比，其速度甚至快了1000倍以上。
首先，中國的光子芯片在傳輸速率上已經達到了T級別。在2021年9月，中國科學家在國際知名學術期刊《自然》上發表論文，詳細介紹了他們設計并制造的光子芯片，該芯片可以實現每秒鐘26.3萬億次的操作，這已經是目前世界上傳輸速率最快的芯片之一。與此同時，該芯片僅需10皮瓦（Pw）的功率就能正常運轉，相較于傳統電子芯片需要的數瓦量級的功率，具有極大的能源效益。
其次，在應用領域上，中國的光子芯片也取得了重要進展。例如，在量子計算、光通信和激光雷達等領域，中國的光子芯片已經開始應用，并取得了良好的實驗效果。其中，量子計算是當前人工智能、加密安全等領域最熱門的技術之一。而中國的光子芯片，在量子計算方面的應用，已經走在了世界的前列。
目前，中國已經擁有包括華為、中興通訊和長飛光纖等在內的多家光子芯片企業。未來，中國的光子芯片技術還將得到進一步的提升和應用，為信息技術的發展帶來更為廣闊的空間。
科學家研發新型光子芯片
據荷蘭特溫特大學（UT）獨立新聞媒體U Today 3月14日報道，該校非線性納米光子學小組的教授David Marpaung和他的團隊設計了一種高性能新型光子芯片。該芯片可以用光波和聲波的組合來處理數字信息，這種下一代芯片相較與基于電流的傳統芯片，體積更小、信息傳輸量更大、精度更高、能耗更少。
“基于光的芯片體積更小，可以打包和處理更多信息，同時消耗的能量比傳統芯片少得多，”Marpaung說，“這些優勢對于大型數據中心尤為重要，數據傳輸的限制和巨大的能源成本正成為日益嚴重的問題。” 另一個優勢是它們可以順利集成到現有電子設備中，因為它們的基本運行方式與傳統芯片類似。
然而，改進當前的光子芯片是有可能的。科學家們發現，當聲波與光波結合時，它們的相互作用可能會促成比光子芯片更好的信息管理和傳輸。“當你在光子芯片中引入聲波時，聲波本質上是一種比光波傳播速度慢得多的機械波，就會出現一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung說，“聲波較慢的傳播速度使得處理信息的準確性和分辨率高得多。它使您可以更輕松地濾除噪音、放大信號和選擇您想要保留的信息或數據。這可能會使信號更清晰、噪音影響更小。”
在微型芯片中引入聲波本身就是一個挑戰。科學家們設法通過使用兩束不同頻率的激光束來做到這一點。通過將激光束對準光波導內部，它們會相互影響，在某些點，激光束會相互削弱，而在其他點，它們會相互增強，這一過程稱為光的干涉。
“在激光相互增強的地方，它們會產生一種作用力，就像錘子一樣，”Marpaung解釋道，“這種力量短暫地壓縮了光通道的材料并產生了某種‘砰’，聲波誕生了。” 聲波與光一起穿過光波導，壓縮周圍的光通道材料。這種壓縮也會影響和改變光的傳播速度。因此，通過調制聲音，科學家們還可以操縱穿過芯片的光波，從而處理基于光的信息傳輸。
雖然理論成立，但在實踐中仍存在一些問題。Marpaung教授和他的團隊提出了一種出色的標準光波導替代設計，解決了光波和聲波不能有效結合的問題。Marpaung教授解釋說：“我們制作了一種波導，在玻璃外殼內包含的不是一個而是兩個氮化硅核心。” “當光線穿過這兩個核心時，核心之間會有一些光泄漏到玻璃外殼中。如果我們也在核心之間創建聲波，引導它進入玻璃外殼內部，就能將聲波和光波保持在一個空間中，讓聲音干擾光。
Marpaung教授稱，該解決方案的優點在于，基于穩定成熟的設計光波導可以輕松修改以適應更多應用。“這個新設計基本上是原理的證明，”Marpaung還說，“在對我們的基本設計進行修改和縮放之后，將會有很多應用出現，因為聲波可以以高分辨率和高精度過濾和選擇信息。例如，它可以用于太空和國防技術、下一代通信技術，還有量子計算機。
光芯片為計算卡裝“渦輪增壓”
近年來，隨著大數據的產業化應用，數據中心的能耗問題，一直被各級政府、產業界和數據中心運營方所關注。采用光學計算芯片應用于數據中心服務器，提供低功耗的算力，相較于傳統的GPU方案，現階段的技術水平可以將功耗控制到十分之一。
瞄準“降低大數據算力能耗”這一目標，早在2020年，光子算數團隊就在業內率先開展了技術應用初步驗證，并推出了基于自研光計算芯片的“光電融合AI加速計算卡”，也成為國內最早嘗試將光子芯片商業化的企業之一。
白冰介紹說，所謂“光電融合AI加速計算卡”，就是利用光電混合原理和技術，讓數據在光電兩部分中完成“流動”，執行一個完整的計算過程的混合AI計算硬件系統。
在技術架構上，計算卡一半是電學部分，包含邏輯控制、緩存和與光學芯片相配合的定制化IP。另一半是光學模組，除了光學計算芯片外，還有一顆DFB激光器芯片，以及小型的控制、電源芯片等組件。
目前計算卡可做到30-80路1080P視頻同步處理，功耗不到100W，在混合精度下峰值算力接近120TOPS，已經實現了商業化應用，被應急管理部信息研究院、中國電子科技集團某公司等企業應用，隨著技術的迭代還將不斷優化提升算力。白冰做了一個形象的比喻：“加上光子協處理引擎模塊，相當于給傳統計算卡加了一個‘渦輪增壓’。”
以光子算數為代表的光子芯片企業快速發展背后，離不開政策、產業生態和平臺的支持：《北京市關于促進高精尖產業投資推進制造業高端智能綠色發展的若干措施》當中，明確提出要搶先布局光電子、前沿新材料、量子信息等領域未來前沿產業。并支持中外機構聯合建立雙向創新平臺、項目服務平臺、投資平臺。這為電子城IC/PIC創新中心的快速發展，奠定了良好的基礎。
