來源：Laser Focus World

Keren Bergman在 IEEE 第 74 屆電子和元件技術(shù)會議 (ECTC) 上，進行了一次主題演講，介紹了將光子芯片與電子端、計算和內(nèi)存以及計算系統(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進行了一次對話。

我們知道光學對于通過移動數(shù)據(jù)進行通信非常有用，但我們?nèi)绾文軐⒐庾訉W應(yīng)用于各種規(guī)模的計算系統(tǒng)（從片上系統(tǒng)到大型計算機）中？以及，將數(shù)據(jù)移動引入光學領(lǐng)域進行計算的最佳方法是什么？

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

將光子學引入計算系統(tǒng)的推動力很大程度上是受到機器學習中人工智能（AI）應(yīng)用的寒武紀式大爆發(fā)的影響，因為全球大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都在運行 AI 應(yīng)用程序。

Keren Bergman表示：“過去十年，我們在光通信領(lǐng)域取得了巨大進步。以前，我們主要將光通信用于長距離光纖系統(tǒng)。但近期取得的進展正在實現(xiàn)芯片上光學元件的集成（以硅光子的形式），并將光學接口從電子平面帶到光學平面，甚至到芯片?！?/p>

而這也帶來了一些機遇：光學接口是否可以連接到計算機芯片和內(nèi)存芯片，實現(xiàn)這些計算機系統(tǒng)內(nèi)的光通信？

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

設(shè)計工作

光子為千萬億次級系統(tǒng)（每秒進行千萬億次計算）甚至百億億次級系統(tǒng)（每秒進行千萬億次計算）帶來的最大好處之一是，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)移動數(shù)據(jù)受到限制，是因為高帶寬通信“損耗很大，需要指數(shù)級增長的電力來移動越來越多的數(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——以更低的能耗在遠距離傳輸數(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，因為光子本質(zhì)上是玻色子，不會相互干擾?！?/p>

密集排列的電子系統(tǒng)往往會面臨產(chǎn)生串擾、干擾及其他問題。但在光域中，數(shù)據(jù)可以在不同的顏色、波長或通道上進行調(diào)制，并且所有數(shù)據(jù)都在同一根電線、光纖或波導內(nèi)共同傳播，而不會相互干擾。它能夠為芯片騰出更多單位面積/單位長度的帶寬。

“光學在這里提供了兩個優(yōu)勢：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?！?/p>

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、計算和內(nèi)存以及計算系統(tǒng)邊緣的其他組件共同封裝或共同集成。

解決這個問題的一種方法是盡可能以最有效的方式對光學鏈路和電子器件進行共同設(shè)計。“從光學角度來說，有很多波長可供選擇，” Bergman說。“它們是由光梳產(chǎn)生的——一束激光可以同時高精度地產(chǎn)生 100 多種不同的顏色。”

這就引出了一個問題：每個波長通道的正確數(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)計問題，” Bergman說，“其他問題則與封裝有關(guān)?！?光子芯片由硅制成，因此看起來就像電子芯片。我們?nèi)绾螌⑵浞庋b在一起，以便與電子端對接？有多種方法可以增強集成度，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）組合在同一個異構(gòu)封裝中。其中兩個關(guān)鍵問題與高溫有關(guān)：我們?nèi)绾卫鋮s封裝？我們?nèi)绾伪３忠欢ǖ臏囟纫詫崿F(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，其折射率也會發(fā)生變化，” Bergman解釋道。“我們要讓光子芯片適應(yīng)溫度變化——因為溫度變化來自周圍環(huán)境和接口的電氣端?！?/p>

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

“我們可以通過多種方式實現(xiàn)這一目標，” Bergman說，“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。另一種方法是將光子芯片設(shè)計得盡可能無熱相變?！?/p>

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

電子器件才是問題所在

稍微擴大范圍，深入當今的系統(tǒng)內(nèi)部，“我們在3D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。

雖然這種連接在能耗和帶寬方面表現(xiàn)良好，但電子器件的問題在于，當需要在系統(tǒng)內(nèi)移動數(shù)據(jù)時，會消耗大量的能源，而且?guī)捒赡軙陆刀噙_兩個數(shù)量級。

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

“它將大大加快應(yīng)用程序的執(zhí)行時間以及我們設(shè)計系統(tǒng)的方式，” Bergman說?！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)的性能提高幾個數(shù)量級，同時保持能耗不變。我們可以改變能源消耗的曲線?！?/p>

轉(zhuǎn)折點

我們已經(jīng)到達了一個轉(zhuǎn)折點，目前光子仍然比如今的電子互連基礎(chǔ)設(shè)施更昂貴——因為制造業(yè)和整個半導體生態(tài)系統(tǒng)比光子成熟得多。

“各個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，但在實際系統(tǒng)和項目中，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，從而實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，最終降低成本？”

Bergman對我們實現(xiàn)這一目標持樂觀態(tài)度，因為計算方面的供應(yīng)商要么已經(jīng)開發(fā)了，要么正在探索共封裝光學/光子學項目，因此這一目標確實指日可待?！暗覀冞€沒有完全實現(xiàn)，”她表示。

未來可期

未來光子學顯然將實現(xiàn)超大規(guī)模計算及其他計算。對于電氣版本的連接性而言，擴展將意味著“我們基本上需要一座核電站來滿足系統(tǒng)的電力消耗，” Bergman說?！斑@就是為什么結(jié)束能源消耗曲線并實現(xiàn)未來系統(tǒng)的可擴展性如此重要?！?/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，以確保交換機也具有波長選擇性，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)性強的互聯(lián)互通是我們正在研究的另一個振奮人心的領(lǐng)域，這一領(lǐng)域是增加波長域之外的帶寬，探索空間/模態(tài)域，因此對于每個波長，你也可以在該顏色或波長內(nèi)擁有正交獨立的空間模式，” Bergman說。“當它增加時，它就會形成一股波，從而進一步增加帶寬密度?！?/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