隨著越來越多耗電量大的人工智能不斷投入使用，計算機(jī)的能源需求也將飛漲。為降低耗能和對環(huán)境的影響，光子芯片——作為一種用光進(jìn)行運(yùn)算的芯片，耗電量只有同等級電子芯片的六分之一，逐漸被研發(fā)及應(yīng)用于人工智能、自動駕駛汽車、量子計算等領(lǐng)域。

中國工程院院刊《Engineering》2021年第9期刊發(fā)《光子芯片——效率更高、能耗更低》，報道了光子芯片的研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展，介紹了光子芯片較于其他芯片的優(yōu)越性，即光子芯片不存在電阻問題，因為由激光產(chǎn)生的光子能快速通過波導(dǎo)、調(diào)制器、反射器等原件陣列，因此，光子芯片產(chǎn)生熱量更少、能耗也更低、計算速度也更高。文章指出，光子芯片將為人工智能帶來突破式發(fā)展，同樣可以幫助其他計算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)能耗降低。計算機(jī)早已是世界能耗巨頭，且隨著越來越多耗電量大的人工智能(AI)投入使用，計算機(jī)的能源需求也將飛漲。在各方努力降低AI 耗能和環(huán)境影響的進(jìn)程中，美國馬薩諸塞州波士頓的初創(chuàng)公司Lightmatter 宣布，已經(jīng)研究出一種用光進(jìn)行運(yùn)算的芯片，耗電量只有同等級電子芯片的六分之一(圖1)。

其他公司也在為AI、自動駕駛汽車、量子計算等應(yīng)用研發(fā)相似的光子芯片。最近幾十年計算機(jī)能耗飛漲。研究人員估計，目前數(shù)據(jù)中心所耗能源占全世界能源的1%。僅谷歌一家公司每年就耗費(fèi)了12 TW·h 以上的能源，比斯里蘭卡整個國家耗費(fèi)的能源還要多。比特幣以及其他種類加密貨幣的挖礦活動自2009 年興起，現(xiàn)在耗費(fèi)的電量也越來越多，最新官方估計比特幣挖礦每年耗費(fèi)電量達(dá)121 TW·h。AI 也是耗電大戶，特別是其中的深度學(xué)習(xí)、面部識別等功能所必需的深度學(xué)習(xí)算法。訓(xùn)練這些算法時，需要處理大量數(shù)據(jù)，也就相應(yīng)地需要耗費(fèi)大量電力，并可能產(chǎn)生巨量二氧化碳。一項研究估計，深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練所需能源相當(dāng)于一輛汽車在其使用壽命內(nèi)所耗盡的能源總量各個公司也采取了多種方式抑制能耗并減少計算機(jī)計算對氣候產(chǎn)生的影響。例如，數(shù)據(jù)中心能效得到了有效提升。2010—2018 年數(shù)據(jù)中心能耗僅上升了6%，算力則提升了6 倍。但是使用光子而非電子的光基集成電路在降能耗上表現(xiàn)更為出色。

這些電路能耗如此之低，歸功于光的性質(zhì)。當(dāng)電子通過晶體管和其他傳統(tǒng)集成電路元件時，會遇到阻力并產(chǎn)生熱量。隨著設(shè)計者不斷將各種元件添加到芯片上，芯片產(chǎn)生的熱量自然會升高。電子這一特性甚至成為了微型芯片性能提升的障礙，同時也是計算機(jī)能耗如此之高的主要原因。舉個例子，數(shù)據(jù)中心40%的能耗都用于散熱。相較之下，一個光子芯片不存在電阻問題，因為由鐳射產(chǎn)生的光子能快速通過波導(dǎo)、調(diào)制器、反射器等原件陣列。因此，光子芯片產(chǎn)生熱量更少，能耗也更低。光子芯片計算速度也更高。在光基設(shè)備中數(shù)據(jù)以光速移動，比普通電路中電子移動速度快10 倍。美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的電子工程學(xué)和計算機(jī)工程學(xué)副教授Dirk Englund 說道：“物理學(xué)使我們有了如此巨大的收獲。”他還稱，光子芯片能將處理速度提升6~7 個數(shù)量級。

眾所周知，芯片是人類有史以來科技含量最高的產(chǎn)品，不單是因為芯片本身構(gòu)造復(fù)雜，更是因為制造芯片工藝和設(shè)備的復(fù)雜。

就拿制造芯片所用的光刻機(jī)來說，目前最先進(jìn)的光刻機(jī)是由荷蘭ASML公司生產(chǎn)的EUV極紫外光刻機(jī)，一臺光刻機(jī)包含10萬多個零件，其中30%左右是由美國提供，另外的70%由德國、瑞士、英國、法國、荷蘭等幾十個歐美科技強(qiáng)國共同制造。和目前的平面顯示器相比，新型立體彩色顯示器有更高的分辨率和信息容量，也為未來的“屏幕革命”拓展了更大的想象空間?！八羌{米級的像素控制，精度非常高，分辨率遠(yuǎn)高于目前的二維屏幕。雖然產(chǎn)業(yè)化還有一段很長的路要走，但是至少推開了一扇新的大門，我想這也是我們做科研的意義所在?！狈叫倪h(yuǎn)談道。

以EUV光刻機(jī)使用的光學(xué)鏡頭為例，目前只有德國的科技巨頭卡爾蔡司可以生產(chǎn)，這背后是卡爾蔡司傳承了170年的技術(shù)積累，即便是號稱科技強(qiáng)國的美國或者日本也造不出來。

ASML董事長曾經(jīng)驕傲地放話稱：世界上沒有任何一個國家可以獨立制造出EUV光刻機(jī)，即便把圖紙給中國，你們同樣造不出來!

這話雖然很難聽，卻道出了一個事實，想要在傳統(tǒng)芯片賽道上超越歐美國家，難道實在太大。

不過我國的科學(xué)家并沒有坐以待斃，而是不斷地嘗試各種辦法進(jìn)行彎道超車，比如北大團(tuán)隊的碳基芯片就是一個思路，通過將制造芯片所用的材料由性能差的硅材料改為更優(yōu)的碳材料，已經(jīng)取得了一些列突破。

國產(chǎn)硅基光子芯片打破世界紀(jì)錄

此外，來自中國科技大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊也嘗試了一種新的思路，那就是硅基光子芯片!

所謂硅基光子芯片，就是將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中，當(dāng)給磷化銦施加電壓的時候，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅(qū)動其他的硅光子器件。

我們?nèi)粘Ｉ钪械氖謾C(jī)、電腦、平板、電視、腕表……這些都屬于二維屏幕，即使近年來悄然興起的裸眼3d，也只是利用人們的雙眼視差來“欺騙”視覺神經(jīng)，讓大腦以為看到的是3d圖像。如何基于屏幕裝置本身的改進(jìn)，實現(xiàn)真正的三維立體顯示?近日，上海理工大學(xué)光子芯片研究院顧敏院士團(tuán)隊聯(lián)合浙江大學(xué)邱建榮教授團(tuán)隊、之江實驗室譚德志博士團(tuán)隊，通過在無色透明的玻璃內(nèi)部實現(xiàn)帶隙可控的三維(3d)半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)，推開了新型立體彩色顯示器的“大門”。從《星球大戰(zhàn)》中飄浮在空中的影像，到鄧麗君跨越時空與歌手周深在2022跨年演唱會上“合唱”《大魚》，立體顯示的概念被越來越多的人所熟知。全息技術(shù)為完整三維信息重現(xiàn)提供了實現(xiàn)方式，被業(yè)界認(rèn)為是實現(xiàn)立體顯示最有前途的一種技術(shù)手段。但全息技術(shù)必須通過一定的介質(zhì)，將影像投射到上面，才能顯現(xiàn)出來。之前，美日科學(xué)家分別用蒸汽幕和激光技術(shù)解決了介質(zhì)問題，但由于技術(shù)不成熟，成本高，商業(yè)前景不太樂觀。那么，全息技術(shù)能不能應(yīng)用在屏幕上呢?這是上理工光子芯片研究院方心遠(yuǎn)副教授在2020年末向顧敏院士提出的一個構(gòu)想。當(dāng)然，這個屏幕不是一般的二維屏幕，而是納米三維顯示器?！澳壳帮@示器感光陣列絕大部分是平面分布的，科幻片中的三維畫面更多要依靠人視覺上的效果，屬于‘仿三維’，真正的三維立體顯示仍是一個重大挑戰(zhàn)?！币黾{米三維立體屏第一個“吃螃蟹”的人，首先要解決的就是將屏幕透明化的問題，這樣才能從各個角度呈現(xiàn)生動、立體的圖像。上海理工大學(xué)光子芯片研究院團(tuán)隊與浙江大學(xué)團(tuán)隊合作，將全息顯示應(yīng)用在通過飛秒激光誘導(dǎo)的鈣鈦礦納米晶三維可控分布的無色透明的復(fù)合材料中，點亮三維分布的量子點，首次實現(xiàn)了動態(tài)立體彩色全息顯示。