惠普實(shí)驗室打造新型光學(xué)芯片，效率更快耗能更少

　　摩爾定律(Moore’sLaw)預測的集成芯片性能提升趨勢已經(jīng)持續了超過(guò)半個(gè)世紀，然而即便技術(shù)不斷發(fā)展，但種種物理極限還是會(huì )制約著(zhù)進(jìn)一步的提升。甚至有學(xué)者認為，未來(lái)10到25年，傳統計算機的處理能力似乎逼近極限。隨著(zhù)對摩爾定律終點(diǎn)研究的愈演愈烈，各大計算芯片公司開(kāi)始探索開(kāi)發(fā)利用光子替代電子來(lái)計算的方法。

　　惠普實(shí)驗室設計的全光學(xué)處理芯片

　　近日，惠普實(shí)驗室(HewlettPackardLabs)的研究人員已經(jīng)構建出一種新型光學(xué)芯片，這稱(chēng)得上是全球最復雜的光學(xué)芯片之一。據稱(chēng)，該光學(xué)芯片能比常規芯片更高效、更快速地執行優(yōu)化計算任務(wù)，消耗的能量也更少。

　　注：摩爾定律(Moore’sLaw)是由英特爾創(chuàng )始人之一戈登·摩爾(GordonMoore)提出來(lái)的。其內容為：集成電路上可容納的晶體管數目，大約每隔24個(gè)月便會(huì )增加一倍。經(jīng)常被引用的“18個(gè)月”，是由英特爾首席執行官大衛·豪斯(DavidHouse)所說(shuō)：預計18個(gè)月會(huì )將芯片的性能提高一倍(即容納更多的晶體管使其更快)。

　　據電氣和電子工程師學(xué)會(huì )會(huì )刊(IEEESpectrum)報告稱(chēng)，惠普實(shí)驗室團隊構建了一個(gè)光學(xué)設備，包含有1052個(gè)光學(xué)組件協(xié)同工作，可以進(jìn)行復雜計算任務(wù)。

　　這就像是一種基于光的所謂的伊辛機(IsingMachine)。伊辛機設備通常用溫度波動(dòng)編碼復雜計算問(wèn)題，并且通過(guò)辨別電子自旋方向如何在外界溫度變化的影響下隨著(zhù)時(shí)間穩定而獲得問(wèn)題的解決方案。

　　相比之下，惠普實(shí)驗室的新型光學(xué)芯片則用光束代替電子，利用光的偏振特性模擬電子的兩個(gè)自旋態(tài)。同樣的，該新型光學(xué)器件通過(guò)小型加熱器編碼問(wèn)題，光束在芯片的各個(gè)區域周?chē)鷴邉?dòng)，直到光束達到穩定狀態(tài)，則獲得解決方案。

　　惠普實(shí)驗室光學(xué)芯片，包括加熱線(xiàn)、微環(huán)諧振器、駁倒以及光學(xué)輸入/輸出組件。

　　電氣和電子工程師學(xué)會(huì )會(huì )刊(IEEESpectrum)詳細描述了該光學(xué)芯片的工作原理和技術(shù)：

　　惠普實(shí)驗室光學(xué)芯片上的四個(gè)區域稱(chēng)為節點(diǎn)，用以支持由紅外光束形成的四個(gè)自旋。當光束離開(kāi)節點(diǎn)之后，將被分束并與干涉儀內部的來(lái)自其他每個(gè)節點(diǎn)的光束進(jìn)行組合。內置于干涉儀中的電加熱器則用于改變附近組件的折射率和物理尺寸。這將調整每個(gè)光束的光路長(cháng)度，由此調整其相對于其他光束的相位。

　　微型加熱器的溫度對要解決的問(wèn)題進(jìn)行編碼，因為這將確定兩個(gè)光束合并時(shí)其中一個(gè)光束自旋狀態(tài)相對于另一個(gè)光束自旋的重要程度。所有這些相互作用的輸出隨之被冷凝并反饋回各個(gè)節點(diǎn)，其中稱(chēng)為微環(huán)諧振器(microringresonators)的結構將清除每個(gè)節點(diǎn)中的光束，使其再次恢復自旋態(tài)之一。光束循環(huán)遍歷干涉儀和各個(gè)節點(diǎn)，并在0度和180度的相位之間翻轉自旋態(tài)，直到整個(gè)系統平衡獲得單個(gè)解。

　　研究人員稱(chēng)，該方法對于復雜問(wèn)題優(yōu)化解決的效率要遠高于傳統芯片。該團隊以經(jīng)典的“旅行售貨員”(travelingsalesmanproblem)問(wèn)題為例，證明該新型光學(xué)芯片的效率遠遠高于傳統芯片。“旅行售貨員”問(wèn)題是一個(gè)經(jīng)典的數學(xué)挑戰，需要計算在多點(diǎn)之間最有效的路線(xiàn)。

　　此外，其他光學(xué)計算技術(shù)也有類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)。正如深科技最近所報道的，基于激光的計算方法正被用于分析遺傳數據以及智能壓縮信息，并且速度要優(yōu)于傳統計算芯片。并且，隨著(zhù)速度的提高，基于光的計算芯片消耗的能量也會(huì )更少。

　　光學(xué)計算芯片的速度快、效率高、能耗小，這就解釋了為什么像英特爾這樣的芯片巨頭也在研究如何構建光學(xué)計算硬件。

　　惠普實(shí)驗室的最新研究成果則是光學(xué)計算硬件發(fā)展路上的另一個(gè)里程碑，這將進(jìn)一步推進(jìn)計算問(wèn)題的優(yōu)化和效率提升。