【了不起的芯片】光子芯片會取代電子芯片嗎？
2022新思科技科普類短視頻欄目《了不起的芯片》全新上線！新思科技一直致力于打造“人人都能懂”的行業(yè)科普視頻，傳播更多芯片相關(guān)小知識，解答各類科技小問題。每周3分鐘，多一些“芯”知識。
這一期，我們聊一聊光子芯片的那些事兒。
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顧名思義，光子芯片是以光為媒介，用光波（電磁波）來傳遞信息的芯片。 光子芯片聽起來也頗為前沿，有點站在技術(shù)之巔內(nèi)味兒~ 但事實上光子芯片與電子芯片一樣，早在上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)誕生了，雖然是電子芯片的孿生兄弟，光子芯片其實比電子芯片擁有更高的天賦。 相比使用電子傳遞信息的一般意義上的芯片，用“光”傳遞信息的光子芯片，理論上信息傳輸速度會更快，傳播距離也更遠(yuǎn)，衰減程度也更低，也不用擔(dān)心芯片發(fā)熱之類的問題，看起來光子芯片似乎是比電子芯片更優(yōu)的選擇。 但事實上在這兄弟倆的成長過程中，看起來“天資平平”的電子芯片卻發(fā)展得更為順利，在眾多因素的加持下甚至比“天賦樹”點滿的光子芯片更為亮眼。 這一切都要從芯片的基本組成部分──晶體管（MOSFET或者FinFET）說起。晶體管是一種電控開關(guān)，它能很方便的用一個或者多個電壓信號產(chǎn)生另一個信號，這樣就組成了千變?nèi)f化的模擬、數(shù)字電路。電晶體管的技術(shù)已趨于成熟，但光子芯片就像是武俠小說的主角還沒找到世外高人的階段，“光子開關(guān)”總是遇到各種各樣的問題，要么輸出信號的波長總是比輸入波長長，難以控制線路中的下一個開關(guān)；要么是光開關(guān)設(shè)計尺寸只能維持在微米級，實現(xiàn)高速傳輸?shù)那疤嶂荒苁且泽w積為代價。 科學(xué)家們也有一直嘗試幫助光子芯片，希望做出能夠?qū)崿F(xiàn)電晶體管功能的可替代的光晶體管，但仍一籌莫展。 光子芯片此刻已經(jīng)在掐人中：果然天才都是孤獨的嗎？給了我這么好的天賦，卻沒有用武之地，請問可以和我兄弟電子芯片互換人生嗎？ 之后，隨著芯片設(shè)計理論的發(fā)展，以及以EDA為基礎(chǔ)，基于IP的芯片設(shè)計方法的興起，電子芯片可以說是“只要錢到位，沒有做不到，只有想不到”（光子芯片持續(xù)無語中……） 即使是現(xiàn)在，我們看到的依然是互聯(lián)網(wǎng)信息先以光為媒沿著光纖網(wǎng)絡(luò)傳播到每家每戶，再轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)入路由器或計算機(jī)。不是不用光子芯片，而是使用電子芯片的效益更高。 電晶體管憑借能夠隨著制程的推進(jìn)不斷微縮的能力，走出了一條極具經(jīng)濟(jì)效益的“摩爾定律”道路來，而光晶體管卻礙于波長限制，寸步難行。 不過，近些年隨著芯片工藝制程已經(jīng)接近物理極限，部分芯片廠商為了增加自家賣點重新為工藝制程下定義，業(yè)內(nèi)關(guān)于“摩爾定律是否就快走到盡頭”的爭論就未停止過，似乎，電子芯片的潛能已經(jīng)快被榨干了。 現(xiàn)在好運來到光子芯片這邊，潛伏已久的光子芯片內(nèi)心開始狂喜。 2016年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊打造出首個光學(xué)系統(tǒng)，硬件上用光干涉儀作為基本的矩陣運算單元有效取代電晶體管，算法上開發(fā)了一系列不犧牲性能條件下有效降低深度學(xué)習(xí)計算量并適應(yīng)于光子芯片的算法。 這一成果在2017年發(fā)表與頂級期刊Nature Photonics雜志封面上，也正是從這時候開始，光子芯片再次進(jìn)入大家的視野，被視為延續(xù)摩爾定律的一種可能。 新思科技也從未擱置過推動光子芯片的發(fā)展。OptoCompiler將成熟的專用光子技術(shù)與業(yè)界領(lǐng)先的仿真和物理驗證工具相結(jié)合，可為光子芯片提供完整的端到端設(shè)計、驗證和簽核解決方案。（只要我的廣告打的夠快，你們就一定發(fā)現(xiàn)不了） 目前，光子芯片主要用于光纖通信、化學(xué)，生物或光譜傳感器、計量、經(jīng)典和量子信息處理等特定應(yīng)用，能夠適用于各種各樣應(yīng)用場景的可編程光子芯片，盡管發(fā)展稍許緩慢，但未來在自動駕駛、安防監(jiān)控、語音識別等人工智能領(lǐng)域大展身手也是指日可待的。 盡管光子芯片的“天賦異稟”，但造化弄人，該配合它表演的“光晶體管”反而限制了光子芯片的發(fā)揮。反倒是電子芯片，憑借著“天時地利”后來者居上。所幸的是，它們都找到了自己適合的定位，沒有上演兄弟相愛相殺的虐心戲碼。比如光子芯片更適合承載線性計算和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，而電子芯片與現(xiàn)有的市場環(huán)境和軟件環(huán)節(jié)兼容性更好，未來，它們會繼續(xù)以光電混合芯片的形式在市場上和諧共存。兄弟情yyds！
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