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2025-02-16 09:39

納米光子學(xué)在計(jì)算中的作用

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。 "XQ3mi`y
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。 7qSnP30}

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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。

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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。

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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)。