硅光子芯片將成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的關(guān)鍵
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半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫編譯來源：techmonitor本周，牛津大學(xué)的科學(xué)家稱芯片設(shè)計(jì)取得了突破，當(dāng)時(shí)他們推出了一種硅光子芯片，據(jù)說比傳統(tǒng)的電子半導(dǎo)體芯片快300倍。它展示了光子學(xué)在數(shù)據(jù)中心等環(huán)境中提供更高性能和更高能效的潛力，特別是在達(dá)到傳統(tǒng)芯片技術(shù)極限的情況下。
光子芯片是如何工作的？牛津大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的芯片利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即不同的光偏振或波不會(huì)相互作用。研究人員能夠使用納米技術(shù)在單個(gè)芯片上包含幾種不同的極化，這意味著它可以并行處理大量數(shù)據(jù)而不會(huì)受到干擾。
光子芯片有很****展?jié)摿?，它使用光而不是傳統(tǒng)的電子電路來傳輸信息?！拔覀兌贾?，光子相對(duì)于電子的優(yōu)勢(shì)在于光在大帶寬上更快，功能更強(qiáng)大，”牛津大學(xué)材料系的June Sang Lee說，他是《科學(xué)進(jìn)展》雜志上一篇論文的第一作者，該論文詳細(xì)介紹了這項(xiàng)工作?！耙虼?，我們的目標(biāo)是充分利用光子學(xué)與可調(diào)材料相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)更快，更密集的信息處理。雖然該論文的作者承認(rèn)他們的工作還處于早期階段，但光子芯片在市場(chǎng)上的實(shí)際應(yīng)用數(shù)量正在增加，特別是隨著企業(yè)尋找處理大型復(fù)雜人工智能（AI）工作負(fù)載的方法。
是什么推動(dòng)著硅光子芯片發(fā)展？目前，在芯片設(shè)計(jì)中部署光子學(xué)的最常見方法是硅光子學(xué)，它將光子架構(gòu)與單個(gè)芯片中的傳統(tǒng)電路配對(duì)。Gartner表示，2020年硅光子市場(chǎng)價(jià)值5.16億美元，預(yù)計(jì)到2025年將增長(zhǎng)到26億美元。Gartner的首席分析師Anushree Verma表示，有三個(gè)因素推動(dòng)了這一增長(zhǎng)。她說，首先是“對(duì)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的興趣增加，這需要更快的網(wǎng)絡(luò)。因此，我們需要更快的互連和越來越高的帶寬，“這可以通過集成光子學(xué)來提供。
Verma說，其它因素與芯片生產(chǎn)有關(guān)，采用異構(gòu)集成技術(shù)，允許光子和電子電路結(jié)合在一起，由主要晶圓代工廠開發(fā)。
去年，臺(tái)積電（TSMC）推出了COUPE，這是一個(gè)將光子學(xué)集成到芯片中的平臺(tái)，預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)中心對(duì)該技術(shù)的需求將激增。今年3月，GlobalFoundries推出了自己的硅光子學(xué)平臺(tái)GF Fotonix，而英特爾在2月份宣布以54億美元收購(gòu)Tower Semiconductor，使其能夠進(jìn)入Tower在加利福尼亞州的硅光子芯片代工廠。
“我們已經(jīng)在代工廠方面看到，現(xiàn)在可以進(jìn)行異構(gòu)集成，從而實(shí)現(xiàn)小芯片和不同設(shè)計(jì)的集成，”Verma說?！白罱K的驅(qū)動(dòng)因素是電子光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的更廣泛可用性，這使得公司更容易設(shè)計(jì)光子集成電路。Verma說，光學(xué)元件的成本也在下降，這有助于商用。
光子學(xué)與摩爾定律芯片制造商需要在性能方面取得突破。摩爾定律認(rèn)為，制造商可以集成在單個(gè)硅芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番，這意味著代工廠正在尋求新技術(shù)。Tech Monitor此前曾報(bào)道過GaN等新材料在半導(dǎo)體中的潛力，部署光子學(xué)被視為另一個(gè)潛在的答案。Vaysh Kewada是Salience Labs的首席執(zhí)行官，Salience Labs是一家英國(guó)初創(chuàng)公司，開發(fā)一種硅光子芯片來為AI工作負(fù)載提供支持。該公司從牛津大學(xué)和明斯特大學(xué)分拆出來，最近籌集了1150萬美元，用于資助其技術(shù)的開發(fā)?！?970年代和1980年代的一些論文中，教授們都在思考光學(xué)處理器，”Kewada解釋說?！暗谶^去的5到7年里，硅光子學(xué)作為一種制造工藝已經(jīng)走過了漫長(zhǎng)的道路?，F(xiàn)在可以去用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)在代工廠制造光子芯片。
掌握該技術(shù)的公司可以從重大的性能提升中受益?！肮庾诱娴暮芸欤?yàn)楣鈧鞑サ煤芸?，”Kewada說?！耙虼?，您可以在芯片上以高達(dá)100GHz的頻率記錄光。在過去幾年中，標(biāo)準(zhǔn)處理器的時(shí)鐘速度一直保持在幾千兆赫茲。
Salience聲稱其方法允許在單個(gè)芯片中進(jìn)行并行處理，這意味著數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商也有可能節(jié)省能源效率。Kewada說。“我們可以在一個(gè)芯片上使用不同波長(zhǎng)的光來做到這一點(diǎn)，這意味著我們可以在給定的功率包絡(luò)下提供更高的吞吐量。
該公司并非唯一一家引起業(yè)界關(guān)注的光子芯片生產(chǎn)商。根據(jù)Pitchbook的數(shù)據(jù)，硅光子芯片初創(chuàng)企業(yè)在2020年籌集了7.5億美元，4月份，美國(guó)公司Ayar Labs從包括英偉達(dá)在內(nèi)的投資者那里籌集了1.3億美元。
除了數(shù)據(jù)中心，光子技術(shù)還被用來為超級(jí)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)提供動(dòng)力。英國(guó)量子公司ORCA最近向英國(guó)政府提供了第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，是全球眾多使用光子技術(shù)創(chuàng)建和穩(wěn)定量子比特的企業(yè)之一，量子比特為量子機(jī)器提供動(dòng)力。該技術(shù)還作為自動(dòng)駕駛汽車中使用的激光雷達(dá)系統(tǒng)的一部分以及傳感器等設(shè)備進(jìn)行部署。
光子芯片的未來Gartner的Verma說，硅光子芯片的價(jià)格仍然很高，阻礙了商用拓展。雖然制造業(yè)變得更加簡(jiǎn)單，但她認(rèn)為，圍繞該技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)仍處于“萌芽階段”。“當(dāng)你將光子芯片添加到系統(tǒng)中時(shí)，測(cè)試結(jié)果會(huì)變得混亂，”她解釋說?！耙虼?，它與普通芯片不同，該過程需要標(biāo)準(zhǔn)化，這正是代工廠和供應(yīng)商正在努力做的事情。目前，像這樣的工藝必須是定制的，在它們被標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)庫建立之前，光子芯片將始終是昂貴的。
但是，廣闊的市場(chǎng)空間可以確保生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和價(jià)格的降低，PhotonDelta的Jorn Smetets說，PhotonDelta是一家總部位于荷蘭的非營(yíng)利組織，旨在促進(jìn)荷蘭和整個(gè)歐洲光子芯片生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。
PhotonDelta最近獲得了11億歐元的公共和私人資金，以支持光子芯片公司，并與麻省理工學(xué)院合作制定了光子芯片發(fā)展路線圖。Smeets說，對(duì)硅光子學(xué)以及其它光子生產(chǎn)方法（如磷化銦）的興趣從未如此之高。
他說?！拔覀?cè)谒侥脊蓹?quán)中看到****開始步調(diào)一致，并為該領(lǐng)域的公司提供資金。像Meta，Google和Microsoft這樣的企業(yè)都在參與我們與麻省理工學(xué)院共同制定的路線圖，以及我們?cè)诤商m所做的標(biāo)準(zhǔn)工作，他們都非常熱衷，因?yàn)樗麄兛梢詽撛诘亟档蛿?shù)據(jù)中心的能耗，這對(duì)這些企業(yè)來說是一個(gè)巨大的成本。
“光子芯片永遠(yuǎn)不會(huì)取代電子電路，”Smeets補(bǔ)充道?！暗珜?duì)于這些特定的應(yīng)用和市場(chǎng)，它可以提供電子產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)的功能。我們?cè)O(shè)想了一個(gè)未來，在單個(gè)芯片上有多個(gè)組件，其中之一將是光子電路?！?/span>
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