硅光子學(xué)系列：光子驅(qū)動(dòng)未來(lái)

對(duì)速度和帶寬的需求正在推動(dòng)硅光子學(xué)的進(jìn)步。一個(gè)圍繞著基于光的互連的生態(tài)系統(tǒng)正在形成，隨著像Intel這樣的老牌企業(yè)擴(kuò)大收發(fā)器和相關(guān)光子元件的規(guī)模，初創(chuàng)公司正在推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)。利用當(dāng)前的芯片設(shè)計(jì)和制造工藝是光子驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用爆發(fā)的關(guān)鍵。

光互聯(lián)在從數(shù)據(jù)中心、傳感器和醫(yī)療診斷到AR/VR等計(jì)劃中的6G無(wú)線應(yīng)用中正在取得進(jìn)展。DARPA是早期研究的啟動(dòng)者，正在尋求在更高分辨率的雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中使用光學(xué)鏈路。

除了數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商，潛在用戶還包括部署所謂的分散架構(gòu)的云服務(wù)供應(yīng)商。這種方法涉及到解耦計(jì)算資源，以允許存儲(chǔ)和其他計(jì)算資源的擴(kuò)展。其他部署包括連接5G基站，減少數(shù)據(jù)密集型AI和HPC應(yīng)用的延遲，這些應(yīng)用正開(kāi)始主導(dǎo)數(shù)據(jù)中心的工作負(fù)載。

面臨網(wǎng)絡(luò)瓶頸的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商正在尋求光學(xué)解決方案，以保持巨大數(shù)據(jù)量的傳輸，從而提供即時(shí)搜索結(jié)果和實(shí)時(shí)視頻等服務(wù)。隨著數(shù)據(jù)速率的提高，那些“最后一英里”集成光鏈路正在取代銅線。光學(xué)部署還有望減少數(shù)據(jù)中心30%的能耗。

除了能源效率，光數(shù)據(jù)通信有望提供更大的數(shù)據(jù)管道，同時(shí)將大數(shù)據(jù)工作負(fù)載的延遲降低10倍。

服務(wù)器等數(shù)據(jù)中心設(shè)備的供應(yīng)商正被chip-to-chip的光互連所吸引。例如，企業(yè)服務(wù)器供應(yīng)商HP今年早些時(shí)候宣布，將把Ayar Labs的光互連技術(shù)集成到其面向AI和高性能計(jì)算應(yīng)用的高端以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的未來(lái)版本中。

Ayar Labs的CEO Charlie Wuischpard表示：“數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域一直存在這樣的挑戰(zhàn)，它給性能提升帶來(lái)了瓶頸。我們的想法是讓光子技術(shù)盡可能接近計(jì)算，以抵消不可持續(xù)的電力消耗、發(fā)熱和頻率退化。”

除了開(kāi)發(fā)用于最后一英里通信的電子轉(zhuǎn)換光子的芯片，Ayar Labs還在與光學(xué)芯片連接專業(yè)公司Lumentum合作，以大規(guī)模生產(chǎn)外部激光源。Ayar Labs在今年3月宣布了這項(xiàng)合作。

在其他領(lǐng)域，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)入基于開(kāi)放無(wú)線電接入網(wǎng)（OpenRAN）架構(gòu)的5G無(wú)線部署。例如，最近被選中演示使用OpenRAN部署5G的一個(gè)歐洲財(cái)團(tuán)表示，它將使用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

Synergy Research Group首席分析師John Dinsdale表示：“光互聯(lián)最初會(huì)吸引大型服務(wù)供應(yīng)商，其經(jīng)濟(jì)和運(yùn)營(yíng)效益都很明顯。隨著時(shí)間的推移，用戶將流向較小的服務(wù)供應(yīng)商和較大的企業(yè)。”

Dinsdale預(yù)測(cè)，利用光鏈路的應(yīng)用和服務(wù)范圍將會(huì)擴(kuò)大。他說(shuō)：“許多這樣的服務(wù)需要消費(fèi)或處理大量數(shù)據(jù)。雖然不是所有服務(wù)都需要超快的響應(yīng)時(shí)間，但很多都需要。隨著用戶數(shù)量、數(shù)據(jù)需求和對(duì)速度的需求不斷增長(zhǎng)，這不可避免地推動(dòng)所需的技術(shù)解決方案更多地進(jìn)入光學(xué)領(lǐng)域。”

光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

目前，用于訓(xùn)練、推理和數(shù)據(jù)分析的邊緣AI芯片是新興硅光子學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。在減少延遲的同時(shí)，這些邊緣應(yīng)用也必須有很好的能效。Intel的AI Labs發(fā)表了一項(xiàng)名為ONN（光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的研究，據(jù)稱這種網(wǎng)絡(luò)可以在“超高帶寬”下通過(guò)光學(xué)方式遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。這些特性將使基于硅光子的AI芯片成為新興邊緣AI網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。

Intel的AI研究人員表示，他們的方法為“高效、抗故障ONN的架構(gòu)設(shè)計(jì)提供了明確的指導(dǎo)方針”。然而，對(duì)于許多商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，光子元件仍然不夠精確。Intel的研究人員表示，在算法開(kāi)發(fā)和訓(xùn)練策略等領(lǐng)域需要進(jìn)一步發(fā)展，以減少光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的誤差。

除了Ayar Labs之外，在過(guò)去幾年中，其他光子學(xué)初創(chuàng)公司也出現(xiàn)了，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)邊緣的AI推理等挑戰(zhàn)。例如，Lightmatter于2017年從MIT分離出來(lái)，開(kāi)發(fā)硅光子處理器。Lightmatter在Hot Chips大會(huì)上展示的一款光子測(cè)試芯片被定位為使用光處理和傳輸數(shù)據(jù)的AI推理加速器。

Lightmatter的3D模塊包含12nm和90nm的ASIC，后者支持光子學(xué)處理步驟，如光分布和激光監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)還包括一個(gè)Mach Zehnder干涉儀，通過(guò)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為在輸入和輸出波導(dǎo)之間傳輸?shù)墓獾?ldquo;亮度”變化，用光來(lái)編碼數(shù)據(jù)。

該架構(gòu)類似于不同顏色的光束穿過(guò)棱鏡，允許AI處理器同時(shí)計(jì)算不同波長(zhǎng)的光。

硅光子學(xué)前景光明光收發(fā)器的這些和其他進(jìn)展已經(jīng)幫助推動(dòng)了硅光子學(xué)領(lǐng)域。例如，據(jù)ReportLinker.com 6月中旬發(fā)布的一份市場(chǎng)調(diào)查顯示，到2027年，前沿收發(fā)器市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將略高于14%。

該預(yù)測(cè)指出：“由于云計(jì)算和5G等應(yīng)用，對(duì)更高（數(shù)據(jù)）速率的需求正在增加。”隨著服務(wù)器接入交換速度向100-Gbit范圍推進(jìn)，光收發(fā)模塊正被用于解決網(wǎng)絡(luò)瓶頸。收發(fā)器經(jīng)常與信號(hào)解碼器和激光二極管一起使用，以緩解數(shù)據(jù)堵塞。

就連美國(guó)國(guó)會(huì)也看到了這一點(diǎn)，去年成立的一個(gè)國(guó)會(huì)光學(xué)與光子學(xué)核心小組尋求重振美國(guó)的制造能力，同時(shí)解決光子學(xué)技術(shù)支持者認(rèn)為阻礙創(chuàng)新的技能差距。

與此同時(shí)，National Photonics Initiative也在推動(dòng)光基技術(shù)的發(fā)展。它指出，集成光子學(xué)利用半導(dǎo)體制造和封裝工藝生產(chǎn)硅光子學(xué)。