"Croyez-vous à la lumière?" Si un passionné de puce vous pose cette question, ce n'est pas qu'il est soudainement un fan d'Ultraman. C'est qu'il commence à remarquer que "Light" commence à susciter le monde des puces.
Le prix Nobel de physique 2023 a été décerné à "Asymétric Light Pulse Technology" et "Comment utiliser la lumière pour calculer" est également devenu un sujet important dans l'industrie et le monde universitaire. La lumière, qui est naturellement rapide, peut-elle terminer la mise à niveau de «l'infrastructure» du monde intelligent à l'ère de l'intelligence artificielle à une vitesse incroyable?
Les photons prennent le relais des électrons
Par rapport aux puces électroniques plus traditionnelles, les puces photoniques sont un nouveau type de puces qui utilisent les propriétés des photons pour calculer.
En substance, les puces s'appuient sur les propriétés physiques des matériaux semi-conducteurs pour manipuler des particules microscopiques qui transportent des informations, mais différents types de puces utilisent différents porteurs de particules. "Les puces photoniques utilisent des photons pour générer, traiter, transmettre et afficher des informations", a déclaré Lei Mi, partenaire fondateur de China Innovation Star.
Par rapport aux électrons, les avantages des photons sont évidents: ils ont un temps de réponse très rapide pour la transmission d'informations, 3-4 Ordres de grandeur Capacité d'information plus élevée que les électrons, le stockage fort, le calcul et même les capacités d'interconnexion parallèle et la consommation d'énergie ultra-bas ... Il est de soi ce potentiel que ces avantages signifient pour l'industrie de l'information.
Maintenant, avec l'avènement de l'ère de l'intelligence artificielle, la demande de pouvoir de calcul augmente. Cependant, le développement de puces électroniques a atteint la limite des coûts physiques et économiques, et «l'échec de la loi de Moore» est constamment entendu.
Les puces électroniques sont basées sur le silicium, avec des atomes de silicium ayant un diamètre d'environ 0. 22 nanomètres. Lorsque le processus est réduit à moins de 7 nanomètres, les puces électroniques sont très sensibles aux surtensions électriques et aux problèmes de dégradation des électrons, ce qui rend difficile le contrôle des électrons parfaitement. Dans la vague de grands modèles qui ont émergé en 2023, les lacunes des puces électroniques traditionnelles sont devenues évidentes.
Les puces photoniques annoncent une nouvelle aube. Ils promettent non seulement de relever les défis insurmontables de la consommation d'énergie et de l'accès à la mémoire dans les puces électroniques, mais aussi de donner naissance à de nombreux scénarios d'application innovants. Conformément à cela, les chemins optiques remplacent les circuits électriques et les sources laser remplacent les alimentations ... En éliminant le besoin de conversion photoélectrique, il est possible de contourner les limites physiques existantes et de percer le goulot d'étranglement de calculs. Actuellement, la concurrence dans ce domaine a déjà commencé parmi les principales institutions de recherche au niveau national et international.
En avril de cette année, une équipe de recherche de l'Université de Tsinghua a été le pionnier d'une largeur architecture d'optique intelligente distribuée dans le monde. Ils ont conçu une puce photonique -- "Taiji" pour les tâches AI avancées, qui a une efficacité énergétique de 2 à 3 ordres de grandeur supérieure à celle des puces intelligentes existantes, et peut fournir un support de puissance de calcul pour des tâches telles que l'analyse intelligente des grandes scènes et l'entraînement et le raisonnement de grands modèles.
En mai, une équipe de recherche de l'Institut Shanghai de microsystème et des technologies de l'information de l'Académie chinoise des sciences a développé une plaquette hétéro-intégrée au lithium, qui a également été utilisée pour la première fois pour fabriquer des puces photoniques à haute performance et produites en masse.
La puce de photons n'est-elle vraiment pas loin?
Comment apprivoiser la lumière?
En plus d'attendre l'avenir avec impatience, réfléchissons à la façon dont les puces photoniques fonctionnent?
Une puce électronique est composée d'un transistor électronique et d'un fil de cuivre conducteur. Une puce photonique est composée d'un transistor photonique et d'un guide d'onde qui mène de la lumière. Le guide d'onde est le milieu de la propagation de la lumière, comme la fibre optique familière.
Selon leurs fonctions, les puces photoniques peuvent être divisées en deux catégories: les puces laser et les puces de détection. Les puces laser doivent utiliser l'énergie électrique du courant injecté par des matériaux semi-conducteurs pour réaliser la conversion de l'électricité et de la lumière. Les puces de détection identifient les signaux optiques par effet photoélectrique et les convertissent en signaux électriques.
Comment contrôler la sortie lumineuse? Idéalement, il serait un transistor entièrement optique entraîné et contrôlé par la lumière. Cependant, la technologie n'est pas encore mature; Les puces photoniques pures sont toujours à l'étape conceptuelle, et les composants de base des puces photoniques sont toujours des dispositifs hybrides électro-optiques qui utilisent la lumière pour la conduite et l'électricité pour le contrôle. Sur la base de la modulation optoélectronique, l'Université Tsinghua a lancé la puce Taiji II en août de cette année, réalisant une formation en ligne de réseaux de neurones optiques sans avoir besoin d'un GPU.
Grâce à l'intégration des dispositifs hybrides électro-optiques, l'ensemble du processus de modulation, de transmission et de démodulation entre les signaux optiques et les signaux électriques est intégré sur un seul substrat. Cela constitue les bases du traitement des données à grande vitesse dans les puces. Grâce à l'avantage de taille de longueur d'onde des ondes légères, les puces photoniques peuvent être fabriquées à l'aide de processus matures avec des longueurs d'onde aussi petites que cent nanomètres, permettant une production domestique complète de ces puces.
Où vont être utilisés les puces de photons?
Comme je l'ai dit, les puces photoniques ont le potentiel de percer le goulot d'étranglement de la puissance de calcul des puces électroniques. De plus, quels autres domaines peuvent-ils être utilisés?
Il est bien connu que la vitesse de la lumière est la plus rapide connue de l'univers. Tirant parti des caractéristiques de transmission à grande vitesse de la lumière, la première chose qui me vient à l'esprit avec les puces photoniques est le transfert de données à ultra-haute vitesse. "Fiber Optic Network + Chip photonique" signifie une nouvelle ère de communication à grande vitesse. De plus, la résistance aux interférences des puces photoniques permet également au radar photonique de devenir une réalité.
L'application de puces photoniques dans d'autres domaines est également prometteuse. Par exemple, dans la biomédecine, les puces photoniques peuvent être utilisées pour l'imagerie optique et l'analyse spectroscopique, permettant une détection et une analyse rapides des cellules, des tissus et des médicaments. Dans la surveillance environnementale, les puces photoniques peuvent être appliquées aux capteurs de gaz et à la surveillance de la pollution, ce qui rend la surveillance et l'évaluation en temps réel de la qualité de l'environnement plus efficace.
Les puces informatiques optiques commencent à quitter le laboratoire, et les scientifiques espèrent qu'après une série d'efforts d'ingénierie, des puces photoniques commerciales peuvent être produites de manière stable dès que possible. Cela signifie que le coût des puces photoniques peut être largement accepté par l'industrie.
