硅光子芯片將成為數據中心發(fā)展的關(guān)鍵
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半導體產(chǎn)業(yè)縱橫編譯來(lái)源：techmonitor本周，牛津大學(xué)的科學(xué)家稱(chēng)芯片設計取得了突破，當時(shí)他們推出了一種硅光子芯片，據說(shuō)比傳統的電子半導體芯片快300倍。它展示了光子學(xué)在數據中心等環(huán)境中提供更高性能和更高能效的潛力，特別是在達到傳統芯片技術(shù)極限的情況下。
光子芯片是如何工作的？牛津大學(xué)團隊開(kāi)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(zhù)它可以并行處理大量數據而不會(huì )受到干擾。
光子芯片有很****展潛力，它使用光而不是傳統的電子電路來(lái)傳輸信息?！拔覀兌贾?，光子相對于電子的優(yōu)勢在于光在大帶寬上更快，功能更強大，”牛津大學(xué)材料系的June Sang Lee說(shuō)，他是《科學(xué)進(jìn)展》雜志上一篇論文的第一作者，該論文詳細介紹了這項工作?！耙虼?，我們的目標是充分利用光子學(xué)與可調材料相結合的優(yōu)勢，以實(shí)現更快，更密集的信息處理。雖然該論文的作者承認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)際應用數量正在增加，特別是隨著(zhù)企業(yè)尋找處理大型復雜人工智能（AI）工作負載的方法。
是什么推動(dòng)著(zhù)硅光子芯片發(fā)展？目前，在芯片設計中部署光子學(xué)的最常見(jiàn)方法是硅光子學(xué)，它將光子架構與單個(gè)芯片中的傳統電路配對。Gartner表示，2020年硅光子市場(chǎng)價(jià)值5.16億美元，預計到2025年將增長(cháng)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(cháng)。她說(shuō)，首先是“對人工智能和機器學(xué)習工作負載的興趣增加，這需要更快的網(wǎng)絡(luò )。因此，我們需要更快的互連和越來(lái)越高的帶寬，“這可以通過(guò)集成光子學(xué)來(lái)提供。
Verma說(shuō)，其它因素與芯片生產(chǎn)有關(guān)，采用異構集成技術(shù)，允許光子和電子電路結合在一起，由主要晶圓代工廠(chǎng)開(kāi)發(fā)。
去年，臺積電（TSMC）推出了COUPE，這是一個(gè)將光子學(xué)集成到芯片中的平臺，預計數據中心對該技術(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GF Fotonix，而英特爾在2月份宣布以54億美元收購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(chǎng)。
“我們已經(jīng)在代工廠(chǎng)方面看到，現在可以進(jìn)行異構集成，從而實(shí)現小芯片和不同設計的集成，”Verma說(shuō)?！白罱K的驅動(dòng)因素是電子光子設計自動(dòng)化工具的更廣泛可用性，這使得公司更容易設計光子集成電路。Verma說(shuō)，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。摩爾定律認為，制造商可以集成在單個(gè)硅芯片上的晶體管數量每年翻一番，這意味著(zhù)代工廠(chǎng)正在尋求新技術(shù)。Tech Monitor此前曾報道過(guò)GaN等新材料在半導體中的潛力，部署光子學(xué)被視為另一個(gè)潛在的答案。Vaysh Kewada是Salience Labs的首席執行官，Salience Labs是一家英國初創(chuàng )公司，開(kāi)發(fā)一種硅光子芯片來(lái)為AI工作負載提供支持。該公司從牛津大學(xué)和明斯特大學(xué)分拆出來(lái)，最近籌集了1150萬(wàn)美元，用于資助其技術(shù)的開(kāi)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(shuō)?！暗谶^(guò)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(guò)了漫長(cháng)的道路?，F在可以去用標準技術(shù)在代工廠(chǎng)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?，因為光傳播得很快，”Kewada說(shuō)?！耙虼?，您可以在芯片上以高達100GHz的頻率記錄光。在過(guò)去幾年中，標準處理器的時(shí)鐘速度一直保持在幾千兆赫茲。
Salience聲稱(chēng)其方法允許在單個(gè)芯片中進(jìn)行并行處理，這意味著(zhù)數據中心運營(yíng)商也有可能節省能源效率。Kewada說(shuō)?！拔覀兛梢栽谝粋€(gè)芯片上使用不同波長(cháng)的光來(lái)做到這一點(diǎn)，這意味著(zhù)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Pitchbook的數據，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，美國公司Ayar Labs從包括英偉達在內的投資者那里籌集了1.3億美元。
除了數據中心，光子技術(shù)還被用來(lái)為超級計算機和量子計算機提供動(dòng)力。英國量子公司ORCA最近向英國政府提供了第一臺量子計算機，是全球眾多使用光子技術(shù)創(chuàng )建和穩定量子比特的企業(yè)之一，量子比特為量子機器提供動(dòng)力。該技術(shù)還作為自動(dòng)駕駛汽車(chē)中使用的激光雷達系統的一部分以及傳感器等設備進(jìn)行部署。
光子芯片的未來(lái)Gartner的Verma說(shuō)，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，但她認為，圍繞該技術(shù)的生態(tài)系統仍處于“萌芽階段”。“當你將光子芯片添加到系統中時(shí)，測試結果會(huì )變得混亂，”她解釋說(shuō)?！耙虼?，它與普通芯片不同，該過(guò)程需要標準化，這正是代工廠(chǎng)和供應商正在努力做的事情。目前，像這樣的工藝必須是定制的，在它們被標準化和標準庫建立之前，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)系統的發(fā)展和價(jià)格的降低，PhotonDelta的Jorn Smetets說(shuō)，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(xiàn)圖。Smeets說(shuō)，對硅光子學(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(shuō)?！拔覀冊谒侥脊蓹嘀锌吹?***開(kāi)始步調一致，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(xiàn)圖，以及我們在荷蘭所做的標準工作，他們都非常熱衷，因為他們可以潛在地降低數據中心的能耗，這對這些企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的成本。
“光子芯片永遠不會(huì )取代電子電路，”Smeets補充道?！暗珜τ谶@些特定的應用和市場(chǎng)，它可以提供電子產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現的功能。我們設想了一個(gè)未來(lái)，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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