隨著計(jì)算需求超越傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的能力，納米光子學(xué)已成為推進(jìn)計(jì)算架構(gòu)的有前途的替代方案。通過利用光子而非電子，納米光子系統(tǒng)為下一代應(yīng)用提供了更高的處理速度、更低的功耗和更好的可擴(kuò)展性。

納米光子學(xué)是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，研究納米尺度下的光與物質(zhì)相互作用，涉及小于100納米的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)尺度上，光與物質(zhì)的相互作用方式獨(dú)特，產(chǎn)生諸如等離子體和光子晶體等光學(xué)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象受量子力學(xué)支配。這些相互作用促進(jìn)了精確的光操控，推動(dòng)了節(jié)能計(jì)算、傳感和光開關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新。

圖片:搜狗截圖20250216093644.png

將納米光子技術(shù)集成到計(jì)算系統(tǒng)中代表了計(jì)算能力的重大進(jìn)步。納米光子系統(tǒng)利用光子而非電子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理，相比傳統(tǒng)電子架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)越的性能指標(biāo)。

各種研究表明，納米光子互連可以實(shí)現(xiàn)超過每秒100吉比特的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)將每比特的能耗保持在50飛焦以下，這標(biāo)志著對(duì)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的顯著改進(jìn)。

其應(yīng)用涵蓋多個(gè)領(lǐng)域，特別是在需要強(qiáng)大處理能力的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。該技術(shù)在納米尺度上操控光的能力使得計(jì)算系統(tǒng)具有更高的速度、更低的延遲和優(yōu)化的能效。

這些特性使納米光子學(xué)成為未來計(jì)算進(jìn)步的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，解決了功耗挑戰(zhàn)，同時(shí)滿足了現(xiàn)代計(jì)算應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求。

圖片:搜狗截圖20250216092904.png

混合光電子處理器芯片的橫截面圖

高性能計(jì)算中的早期應(yīng)用

納米光子學(xué)在高性能計(jì)算中嶄露頭角，特別是在數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算設(shè)施中。最初的部署集中在用光通信通道取代傳統(tǒng)的銅互連，從而減少了計(jì)算單元之間的延遲并提高了帶寬。

從電子互連到光互連的過渡經(jīng)歷了幾個(gè)階段。早期系統(tǒng)采用混合方法，結(jié)合電子和光學(xué)組件，以保持與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性，同時(shí)引入光通信的優(yōu)勢(shì)。

超級(jí)計(jì)算設(shè)施成為納米光子技術(shù)的主要受益者。光互連在超級(jí)計(jì)算機(jī)架構(gòu)中的集成支持了更緊湊和高效系統(tǒng)的開發(fā)。

最近的研究表明，系統(tǒng)性能有顯著提升，一些設(shè)施的節(jié)點(diǎn)間通信速度接近每秒400吉比特。

圖片:搜狗截圖20250216093037.png

一種帶有硅光子元件的多核芯片，可在內(nèi)核之間引導(dǎo)數(shù)據(jù)流量。

開創(chuàng)性技術(shù)發(fā)展

1.IBM的硅納米光子學(xué)突破

IBM憑借其集成光子電路成為納米光子計(jì)算的先驅(qū)，該電路通過電流控制光信號(hào)。隨后取得了關(guān)鍵進(jìn)展，包括緊湊型光緩沖器（2006年）、低功耗硅光調(diào)制器（2007年）、寬帶光開關(guān)（2008年），以及2010年成功將光學(xué)和電氣組件集成在硅芯片上，實(shí)現(xiàn)了基于光的通信。

2012年12月，該公司通過使用標(biāo)準(zhǔn)90納米半導(dǎo)體技術(shù)將光學(xué)和電氣組件集成在單個(gè)硅芯片上，取得了重大里程碑。

這一創(chuàng)新使得超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心和計(jì)算機(jī)芯片之間的高速光數(shù)據(jù)傳輸成為可能，使用了光探測(cè)器、超緊湊波分復(fù)用器、CMOS電路和調(diào)制器等先進(jìn)組件。

該技術(shù)通過利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS代工廠，消除了組裝多個(gè)組件或重新裝備工廠的需求。此外，芯片上的波分復(fù)用（WDM）設(shè)備支持在單根光纖內(nèi)并行光數(shù)據(jù)傳輸，顯著降低了互連成本。

2.新型納米光子模擬處理器

傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)在解決復(fù)雜任務(wù)時(shí)面臨能效和速度的挑戰(zhàn)。然而，最近發(fā)表在《自然通訊物理學(xué)》上的一項(xiàng)研究開發(fā)了一種納米光子模擬處理器，使用近零介電常數(shù)（ENZ）材料和波長(zhǎng)拉伸解決了偏微分方程（PDEs），準(zhǔn)確率超過90%。

該處理器通過載流子注入可編程，在光通信波段內(nèi)運(yùn)行，并以光速處理輸入。這種超電路方法實(shí)現(xiàn)了高速、低能耗、芯片級(jí)模擬計(jì)算，克服了傳統(tǒng)電子架構(gòu)的局限性，為超快計(jì)算提供了可重構(gòu)平臺(tái)。

3.MIT的可編程納米光子處理器

MIT的可編程納米光子處理器代表了光學(xué)計(jì)算的重大進(jìn)步。該系統(tǒng)利用馬赫-曾德爾干涉儀陣列進(jìn)行光學(xué)矩陣運(yùn)算，允許快速處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。

研究人員證明，這些處理器可以以每秒超過100萬億次操作的速度執(zhí)行矩陣乘法，使其特別適合深度學(xué)習(xí)應(yīng)用。

推動(dòng)納米光子計(jì)算的材料創(chuàng)新

諸如硫化鎘納米線和超材料等先進(jìn)材料提高了效率、處理速度和能量耗散，允許將光子組件與半導(dǎo)體技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的芯片級(jí)處理器。

這些進(jìn)展支持了高效緊湊的納米光子設(shè)備的開發(fā)，能夠以高速執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，同時(shí)保持低能耗。

功能性納米線

在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種使用相變材料Ge2Sb2Te5（GST）和硅的混合活性電介質(zhì)納米線的光子計(jì)算處理器。

當(dāng)被光脈沖照射時(shí)，這些納米線表現(xiàn)出從電阻態(tài)到導(dǎo)電態(tài)的可逆相變，光的偏振調(diào)節(jié)材料的吸收。

這種方法促進(jìn)了跨多個(gè)納米線的并行計(jì)算，利用光的速度和大帶寬增加了信息存儲(chǔ)和處理密度，超越了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的局限性。

鈮酸鋰

鈮酸鋰已成為納米光子波導(dǎo)技術(shù)中的關(guān)鍵材料，由于其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的信號(hào)處理。

最近，加州理工學(xué)院的研究人員利用這種材料創(chuàng)建了超快系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了每次激活16飛焦和75飛秒的激活時(shí)間，標(biāo)志著計(jì)算效率相對(duì)于當(dāng)前電子系統(tǒng)的顯著提升。

這些能力為以前所未有的速度和能效運(yùn)行的光子集成電路開辟了機(jī)會(huì)，具有在量子信息處理、精密傳感和先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)中的潛在應(yīng)用。

消費(fèi)電子和人工智能集成

1.智能手機(jī)技術(shù)進(jìn)步

納米光子學(xué)的影響延伸到消費(fèi)電子領(lǐng)域，推動(dòng)了緊湊、高性能成像系統(tǒng)和節(jié)能顯示技術(shù)的進(jìn)步。

華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種使用混合光學(xué)系統(tǒng)的納米光子相機(jī)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)鏡頭與稱為“納米柱”的納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，促進(jìn)了亞波長(zhǎng)光操控，實(shí)現(xiàn)專業(yè)級(jí)成像。這些系統(tǒng)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)消除了笨重的相機(jī)突起，同時(shí)增強(qiáng)了深度傳感和低光性能。

在顯示器方面，Nanosys和Anders Electronics等公司為OLED屏幕引入了先進(jìn)的納米光子材料，提供了更豐富的色彩、更深的黑色和更高的亮度，同時(shí)減少了電池消耗，為智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備提供了顯著改進(jìn)。

2.人工智能驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

當(dāng)前的人工智能時(shí)代需要前所未有的計(jì)算速度和能效，以處理復(fù)雜的算法和龐大的數(shù)據(jù)處理需求。納米光子技術(shù)通過超快數(shù)據(jù)處理和節(jié)能操作提供了變革性解決方案。

俄勒岡州立大學(xué)和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了具有固有光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的發(fā)光納米晶體，允許在光態(tài)和暗態(tài)之間快速切換。這些納米晶體提供了低功耗切換機(jī)制，通過減少能耗同時(shí)提高處理速度，解決了人工智能硬件中的關(guān)鍵能源挑戰(zhàn)。

這一突破有可能增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)處理器、光電系統(tǒng)和先進(jìn)計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)更高效和強(qiáng)大的人工智能技術(shù)。

3.節(jié)能計(jì)算

納米光子計(jì)算技術(shù)與全球推動(dòng)可持續(xù)和節(jié)能解決方案的趨勢(shì)一致。這些系統(tǒng)使用光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理，最大限度地減少了傳統(tǒng)電子電路中固有的電阻損耗，從而呈現(xiàn)了一種更可持續(xù)的計(jì)算范式。

加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員證明，全光學(xué)納米光子計(jì)算平臺(tái)將功耗降低了約1000倍，同時(shí)提高了計(jì)算速度。這種方法解決了電子電路中的阻抗問題，允許開發(fā)全光學(xué)輸入和輸出系統(tǒng)，重塑計(jì)算能效策略。

4.量子計(jì)算前景

納米光子學(xué)與量子計(jì)算的集成可能代表了計(jì)算技術(shù)中最激動(dòng)人心的前沿。

Quandela和QuiX等公司處于這一創(chuàng)新的前沿。Quandela正在開發(fā)即插即用的量子點(diǎn)單光子發(fā)射器，QuiX正在使用氮化硅（SiN）波導(dǎo)平臺(tái)創(chuàng)建可重構(gòu)光子處理器。這些進(jìn)展在量子信息處理、量子化學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域具有重要潛力。

然而，擴(kuò)展這些系統(tǒng)在保持量子相干性和最小化光電路損耗方面面臨挑戰(zhàn)，促使研究更高效的單光子源和增強(qiáng)的波導(dǎo)技術(shù)。

納米光子學(xué)通過納米尺度上的光操控正在改變計(jì)算技術(shù)，克服了傳統(tǒng)限制，實(shí)現(xiàn)了前所未有的速度、能效和跨多種應(yīng)用的先進(jìn)能力。

相關(guān)鏈接：https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=430