來(lái)源：Laser Focus World

Keren Bergman在 IEEE 第 74 屆電子和元件技術(shù)會(huì)議 (ECTC) 上，進(jìn)行了一次主題演講，介紹了將光子芯片與電子端、計(jì)算和內(nèi)存以及計(jì)算系統(tǒng)邊緣的其他組件更緊密結(jié)合的不同技術(shù)和方法。我們有幸與Keren Bergman進(jìn)行了一次對(duì)話。

我們知道光學(xué)對(duì)于通過(guò)移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行通信非常有用，但我們?nèi)绾文軐⒐庾訉W(xué)應(yīng)用于各種規(guī)模的計(jì)算系統(tǒng)（從片上系統(tǒng)到大型計(jì)算機(jī)）中？以及，將數(shù)據(jù)移動(dòng)引入光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行計(jì)算的最佳方法是什么？

這些問(wèn)題正是美國(guó)哥倫比亞大學(xué)電氣工程教授兼綜合科學(xué)與工程中心科學(xué)主任Keren Bergman目前在光學(xué)、光子學(xué)和計(jì)算交叉領(lǐng)域探索的眾多問(wèn)題中的兩個(gè)。

將光子學(xué)引入計(jì)算系統(tǒng)的推動(dòng)力很大程度上是受到機(jī)器學(xué)習(xí)中人工智能（AI）應(yīng)用的寒武紀(jì)式大爆發(fā)的影響，因?yàn)槿虼蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)中心都在運(yùn)行 AI 應(yīng)用程序。

Keren Bergman表示：“過(guò)去十年，我們?cè)诠馔ㄐ蓬I(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步。以前，我們主要將光通信用于長(zhǎng)距離光纖系統(tǒng)。但近期取得的進(jìn)展正在實(shí)現(xiàn)芯片上光學(xué)元件的集成（以硅光子的形式），并將光學(xué)接口從電子平面帶到光學(xué)平面，甚至到芯片?！?/p>

而這也帶來(lái)了一些機(jī)遇：光學(xué)接口是否可以連接到計(jì)算機(jī)芯片和內(nèi)存芯片，實(shí)現(xiàn)這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的光通信？

Keren Bergman表示：“這是一個(gè)非常有趣的研究/技術(shù)問(wèn)題，這一問(wèn)題的出現(xiàn)主要是由于人工智能在計(jì)算方面的主要驅(qū)動(dòng)力，以及在光子學(xué)方面，基于在芯片上集成光子而建立的龐大生態(tài)系統(tǒng)”。

設(shè)計(jì)工作

光子為千萬(wàn)億次級(jí)系統(tǒng)（每秒進(jìn)行千萬(wàn)億次計(jì)算）甚至百億億次級(jí)系統(tǒng)（每秒進(jìn)行千萬(wàn)億次計(jì)算）帶來(lái)的最大好處之一是，它有可能在系統(tǒng)內(nèi)傳輸更多的通信帶寬。

如今，在電子領(lǐng)域內(nèi)移動(dòng)數(shù)據(jù)受到限制，是因?yàn)楦邘捦ㄐ拧皳p耗很大，需要指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的電力來(lái)移動(dòng)越來(lái)越多的數(shù)據(jù)”，Keren Bergman表示?！稗D(zhuǎn)向光域的原因在于我們可以以更高的能源效率做到這一點(diǎn)——以更低的能耗在遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。而且在芯片上的每條線路和引腳內(nèi)，我們可以插入更多帶寬，因?yàn)楣庾颖举|(zhì)上是玻色子，不會(huì)相互干擾?！?/p>

密集排列的電子系統(tǒng)往往會(huì)面臨產(chǎn)生串?dāng)_、干擾及其他問(wèn)題。但在光域中，數(shù)據(jù)可以在不同的顏色、波長(zhǎng)或通道上進(jìn)行調(diào)制，并且所有數(shù)據(jù)都在同一根電線、光纖或波導(dǎo)內(nèi)共同傳播，而不會(huì)相互干擾。它能夠?yàn)樾酒v出更多單位面積/單位長(zhǎng)度的帶寬。

“光學(xué)在這里提供了兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：我們可以獲得非常高的帶寬密度——大約每毫米數(shù)兆兆位，”Keren Bergman表示。2“它還能以低于皮焦耳每比特的能量將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)百米或數(shù)公里之外。”

那面臨的挑戰(zhàn)是什么呢？那就是將這些光子芯片與電子端、計(jì)算和內(nèi)存以及計(jì)算系統(tǒng)邊緣的其他組件共同封裝或共同集成。

解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是盡可能以最有效的方式對(duì)光學(xué)鏈路和電子器件進(jìn)行共同設(shè)計(jì)?！皬墓鈱W(xué)角度來(lái)說(shuō)，有很多波長(zhǎng)可供選擇，” Bergman說(shuō)?！八鼈兪怯晒馐岙a(chǎn)生的——一束激光可以同時(shí)高精度地產(chǎn)生 100 多種不同的顏色?！?/p>

這就引出了一個(gè)問(wèn)題：每個(gè)波長(zhǎng)通道的正確數(shù)據(jù)調(diào)制頻率是多少，才能與該接口電氣端的正確數(shù)據(jù)頻率相匹配？

“這些都是重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題，” Bergman說(shuō)，“其他問(wèn)題則與封裝有關(guān)?！?光子芯片由硅制成，因此看起來(lái)就像電子芯片。我們?nèi)绾螌⑵浞庋b在一起，以便與電子端對(duì)接？有多種方法可以增強(qiáng)集成度，例如 3D 集成，甚至是單片集成，其中光子和電子共存于同一芯片內(nèi)。”

解決共封裝的高溫問(wèn)題

研究界和業(yè)界正在思考如何將這些不同技術(shù)（光子和電子）組合在同一個(gè)異構(gòu)封裝中。其中兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題與高溫有關(guān)：我們?nèi)绾卫鋮s封裝？我們?nèi)绾伪３忠欢ǖ臏囟纫詫?shí)現(xiàn)最佳性能？

光子是一種熱敏感技術(shù)，“如果光子芯片的溫度發(fā)生變化，其折射率也會(huì)發(fā)生變化，” Bergman解釋道?！拔覀円尮庾有酒m應(yīng)溫度變化——因?yàn)闇囟茸兓瘉?lái)自周圍環(huán)境和接口的電氣端?！?/p>

在3D封裝中，電子端產(chǎn)生的高溫會(huì)影響光子芯片的性能，因此了解熱環(huán)境并進(jìn)行補(bǔ)償/設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

“我們可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，” Bergman說(shuō)，“有一種方法是采用閉環(huán)電路，即使溫度發(fā)生變化，也能保持光子芯片的工作點(diǎn)。另一種方法是將光子芯片設(shè)計(jì)得盡可能無(wú)熱相變?！?/p>

這些方法本質(zhì)上可以補(bǔ)償溫度變化?！耙环N材料的溫度會(huì)隨著折射率的變化而朝一個(gè)方向改變，而另一種材料的溫度會(huì)朝相反的方向改變——這為我們?cè)O(shè)計(jì)光子芯片提供的一種內(nèi)在魯棒性，”Bergman補(bǔ)充道。

電子器件才是問(wèn)題所在

稍微擴(kuò)大范圍，深入當(dāng)今的系統(tǒng)內(nèi)部，“我們?cè)?D中擁有非常好的電子連接，并且內(nèi)存和圖形處理單元 (GPU) 之間也有電子芯片，” Bergman說(shuō)。

雖然這種連接在能耗和帶寬方面表現(xiàn)良好，但電子器件的問(wèn)題在于，當(dāng)需要在系統(tǒng)內(nèi)移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)消耗大量的能源，而且?guī)捒赡軙?huì)下降多達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

將光子像接口一樣引入芯片可以使整個(gè)系統(tǒng)的通信更加流暢，從而完全消除系統(tǒng)內(nèi)當(dāng)前存在的兩個(gè)數(shù)量級(jí)的錐度。

“它將大大加快應(yīng)用程序的執(zhí)行時(shí)間以及我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)的方式，” Bergman說(shuō)?！皩⒐庾蛹{入系統(tǒng)不僅僅是一種技術(shù)替代，它還能讓我們將人工智能系統(tǒng)的性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)保持能耗不變。我們可以改變能源消耗的曲線?！?/p>

轉(zhuǎn)折點(diǎn)

我們已經(jīng)到達(dá)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，目前光子仍然比如今的電子互連基礎(chǔ)設(shè)施更昂貴——因?yàn)橹圃鞓I(yè)和整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)比光子成熟得多。

“各個(gè)公司希望將這些系統(tǒng)商業(yè)化并加以部署。然而盡管能源和性能很重要，但在實(shí)際系統(tǒng)和項(xiàng)目中，成本最終還是最重要的。因此，我們陷入了兩難境地：我們能否將光子引入完整的制造模式，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，最終降低成本？”

Bergman對(duì)我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)持樂(lè)觀態(tài)度，因?yàn)橛?jì)算方面的供應(yīng)商要么已經(jīng)開(kāi)發(fā)了，要么正在探索共封裝光學(xué)/光子學(xué)項(xiàng)目，因此這一目標(biāo)確實(shí)指日可待?！暗覀冞€沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，”她表示。

未來(lái)可期

未來(lái)光子學(xué)顯然將實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模計(jì)算及其他計(jì)算。對(duì)于電氣版本的連接性而言，擴(kuò)展將意味著“我們基本上需要一座核電站來(lái)滿足系統(tǒng)的電力消耗，” Bergman說(shuō)。“這就是為什么結(jié)束能源消耗曲線并實(shí)現(xiàn)未來(lái)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性如此重要?！?/p>

Bergman 及其同事還致力于將靈活性融入到互連之外的通信系統(tǒng)中，以確保交換機(jī)也具有波長(zhǎng)選擇性，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)特定應(yīng)用的通信性質(zhì)。

“這種靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的互聯(lián)互通是我們正在研究的另一個(gè)振奮人心的領(lǐng)域，這一領(lǐng)域是增加波長(zhǎng)域之外的帶寬，探索空間/模態(tài)域，因此對(duì)于每個(gè)波長(zhǎng)，你也可以在該顏色或波長(zhǎng)內(nèi)擁有正交獨(dú)立的空間模式，” Bergman說(shuō)?！爱?dāng)它增加時(shí)，它就會(huì)形成一股波，從而進(jìn)一步增加帶寬密度?！?/p>

拓展閱讀

1. A. Rizzo et al., Nat. Photon., 17, 781–790 (Jun. 2023).

2. A. Rizzo et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 29, 1–20 (Feb. 2023).

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審核編輯 黃宇