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硅光子芯片的時(shí)代即將開(kāi)啟 光腦是指用光子取代傳統(tǒng)的電子的電腦，IBM在2007年就已發(fā)展光子運(yùn)算芯片，目前可分為光電混合電腦與純光子電腦。光電混合電腦使用雷射光脈沖傳輸資料，但部分芯片仍使用電子元件，故需要光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程中相對(duì)慢及耗能。 光子電腦不使用電子，改用光子加上折射鏡或分光鏡取代原有的邏輯閘來(lái)做資料傳輸及運(yùn)算，比傳統(tǒng)電子傳遞過(guò)程會(huì)經(jīng)過(guò)帶有電阻的電線而損耗，光子沒(méi)有質(zhì)量、不須介質(zhì)傳遞，更能以光速前進(jìn)，一旦產(chǎn)生就不會(huì)額外耗能。光子傳遞甚至可以同時(shí)使用超過(guò)兩種不同波長(zhǎng)的光來(lái)取代二進(jìn)位訊號(hào)，大幅增加運(yùn)算速度。 使用光來(lái)取代電子傳遞訊息時(shí)也并非沒(méi)有缺點(diǎn)，因?yàn)楣獠ㄩL(zhǎng)難以壓縮，過(guò)長(zhǎng)的波長(zhǎng)限制芯片體積微縮的可能。為解決此問(wèn)題，哥倫比亞大學(xué)研發(fā)一種光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換的方法，在示范裝置中，超穎介面(metasurface)能讓傳遞的光波長(zhǎng)縮短為空氣中波長(zhǎng)縮小1.7倍，因此能縮小積體光學(xué)的大小。 光學(xué)裝置須要更精確的做工，因?yàn)楣馐鴤鬏數(shù)男┪⑵顣?huì)造成巨大的問(wèn)題，相對(duì)需要高技術(shù)及高成本。惠普實(shí)驗(yàn)室今年初宣布已開(kāi)發(fā)一種光整合電路裝置，使用1，052種光學(xué)元件組成，用光的偏振性質(zhì)編碼，比傳統(tǒng)芯片能更快速處理計(jì)算問(wèn)題。光子電路也適合做深度學(xué)習(xí)，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表奈米光子處理器，控制光波導(dǎo)讓光產(chǎn)生干涉條紋，來(lái)進(jìn)行深度運(yùn)算。光子電腦離要能實(shí)際應(yīng)用，還有很多困難待克服，已有愈來(lái)愈多大廠投入研發(fā)，如惠普、IBM。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，光子運(yùn)算有助人工智慧革命，為社會(huì)帶來(lái)更重大改變。 光傳輸技術(shù)與光整合電路最重要 在所有的光子技術(shù)中，光傳輸技術(shù)與光整合電路為最重要的次世代的技術(shù)，未來(lái)將對(duì)醫(yī)療技術(shù)、光電感測(cè)、太陽(yáng)能電池元件、遠(yuǎn)紅外線光源及光顯示等應(yīng)用產(chǎn)生革命性的影響。 市場(chǎng)研調(diào)機(jī)構(gòu)Credence預(yù)估，光整合電路在2020年時(shí)的全球產(chǎn)值將達(dá)到13億美元，2015年至2020年產(chǎn)值年復(fù)合成長(zhǎng)率高達(dá)25.2%。MarketsandMarkets更指出，未來(lái)光子技術(shù)在電信傳輸與資料傳輸?shù)葢?yīng)用將成長(zhǎng)最快，將于2020年達(dá)到200萬(wàn)美元，而消費(fèi)性電子的光子技術(shù)應(yīng)用也值得關(guān)注，預(yù)計(jì)在2020年產(chǎn)值也將達(dá)到150萬(wàn)美元。 光子因不具有電荷與質(zhì)量，擁有低能量耗損與不容易受到外界干擾的特性，能夠解決半導(dǎo)體在不斷微縮過(guò)程中，元件與導(dǎo)線的距離縮短導(dǎo)致電磁干擾導(dǎo)致操作延遲、能源損耗等相關(guān)的問(wèn)題。因此光子成為后摩爾定律時(shí)代中新興的重要技術(shù)。歐盟在2009年歐盟所提出Key Enabling Technologies(KETs)的五項(xiàng)技術(shù)，即包含光子技術(shù)。光子技術(shù)的節(jié)能特征，將隨著倍數(shù)增加的運(yùn)算、儲(chǔ)存需要而變得日益重要，各國(guó)也紛紛投入相關(guān)研究計(jì)劃支持。 歐盟第七期框架計(jì)劃就透過(guò)科技補(bǔ)助支持CMOS整合光電子技術(shù)(HELIOS)研究、光子制造技術(shù)平臺(tái)(PLAT4M)等計(jì)劃，協(xié)助將光子整合電路技術(shù)從科學(xué)研究變成商業(yè)產(chǎn)品并形成產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入歐盟第八期歐盟框架計(jì)劃階段(Horizon 2020)，歐盟將光子技術(shù)的研發(fā)分為先進(jìn)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究，主要目的是探索光子先進(jìn)技術(shù)，保持歐洲在光子技術(shù)上的領(lǐng)先;還有透過(guò)公私伙伴協(xié)力的方式，加速光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 美國(guó)在先進(jìn)制造伙伴2.0計(jì)劃預(yù)計(jì)以尖端制造業(yè)再?gòu)?fù)興創(chuàng)造美國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提出15個(gè)創(chuàng)新研究中心，包含光整合電路創(chuàng)新中心，由紐約州立大學(xué)與美國(guó)能源局共同負(fù)責(zé)營(yíng)運(yùn)。該創(chuàng)新中心主要提供光整合電路的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，協(xié)助光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)擴(kuò)散，將串聯(lián)設(shè)備制造商、材料供應(yīng)商、軟件供應(yīng)商、光整合電路生產(chǎn)商與研究者，透過(guò)多方合作，加快光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)國(guó)家航空暨太空總署等也投入光子尖端技術(shù)研發(fā)，包含LiDar技術(shù)、光處理器、先進(jìn)醫(yī)療光感測(cè)器、多光雷射等。 日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省與新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)在2012年展開(kāi)十年的光電子融合基礎(chǔ)技術(shù)研究，以確保日本在后摩爾時(shí)期，能在光整合電路相關(guān)技術(shù)上保有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。至于前瞻光子技術(shù)的部分，日本文部科學(xué)省于2016年揭露研究目標(biāo)與戰(zhàn)略分項(xiàng)所展開(kāi)的拓璞量子戰(zhàn)略，將量子運(yùn)算、自旋電子學(xué)與光子技術(shù)列于重點(diǎn)技術(shù)，將于未來(lái)投入發(fā)展光子新的理論、使用單向傳播光波導(dǎo)的光整合電路、光學(xué)儲(chǔ)存設(shè)備、高功能單模雷射和向量光束。 中國(guó)大陸投入光子技術(shù)包含兩個(gè)部分：光通訊的技術(shù)追趕與光子技術(shù)彎道超車。在技術(shù)追趕部分，透過(guò)全國(guó)電子光學(xué)系統(tǒng)十三五標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展規(guī)劃，設(shè)立光子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，透過(guò)制定標(biāo)準(zhǔn)提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)。國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃則建立自主的硅光子技術(shù)與研發(fā)平臺(tái)，透過(guò)中科學(xué)、大學(xué)與產(chǎn)業(yè)的合作，擬在關(guān)鍵的高性能的微奈米電光元件及其整合技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)光子技術(shù)的彎道超車。光子技術(shù)是兼具科技前瞻性與市場(chǎng)應(yīng)用性的技術(shù)，從產(chǎn)值估測(cè)可以得知，未來(lái)幾年光子技術(shù)應(yīng)用將逐漸深入生活。因此各國(guó)無(wú)不投入研發(fā)資源，期望透過(guò)產(chǎn)官學(xué)研的資源整合，搶占光子技術(shù)未來(lái)商機(jī)與機(jī)會(huì)。 技術(shù)面面觀 光子芯片主要是將無(wú)數(shù)個(gè)光學(xué)系統(tǒng)整合在芯片上，就如同現(xiàn)今的半導(dǎo)體芯片，但將利用超微透鏡取代電晶體并以光子來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。光子芯片與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片相比，具有更高的運(yùn)算效率以及訊息傳輸量，也兼具耗能低、運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較少的熱，所以無(wú)須復(fù)雜的散熱設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為在未來(lái)可延續(xù)摩爾定律，傳承舊有硅芯片的發(fā)展。 |
