光子芯片是什么?代替CPU,它能行吗

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光子芯片这项技术的成熟对我们将带来的影响将是巨大的,最直观的体现就是在更强性能却更省电的处理器。而长远来看,这种远超人脑速度的计算能力可以赋予 AI 的将是无限的可能性。

「光子芯片」这个词很多人甚至都没听过,但或许过不了多久它将会让现有的 AI 再一次发生质变,更进一步的接近人类。

最近美国的艾克塞特大学、牛津大学和明斯特大学三所高校的研究人员开发出一款光子芯片,它可以用光来传输数据,速度比现有的标准处理器快了 10 倍甚至 50 倍,达到了 300Gbps,同时能耗大幅降低。因为是由光驱动,光子芯片可以在比任何电子处理系统都更低的能量供应下执行超高速的计算需求。

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(用 7000 万个晶体管和 850 个光子元件(用来发送和接收光)组成 2 个处理器内核,整个芯片只有 3×6 毫米大)

研究人员称这是第一款成熟的、用光传输数据的处理器。在测试中,光子芯片的运算速度可以比人脑的速度快 1000 倍,如果用于超级计算机,则只需使用最小的功率的同时就可最大限度的处理和储存信息。一旦成熟落地,将彻底改变智能手机、超级计算机和大型运算中心的计算与网络构架。

如果说现有的 AI 技术红利已经耗尽,那「光子芯片」的出现或许正是 AI 技术下一次跃迁的关键节点。

用光来运算,能有多快?

光子可能是目前地球上计算能力最强的单元,高效并且稳定。

很多人可能并不知道,其实人脑在大量信息的计算和处理上是要比目前地球上任何的处理器和处理系统都要强大的,而且在效率和能耗上更是远远超出,而光子芯片则达到了人脑的 1000 倍。

如何能达到这么快,说到底是依靠光子的超高速度和超低能耗。

对于光纤传输很多人都不会陌生了,人类运用光路传输的基本原理来运送信息已经是习以为常的事了。但其实,光还有许多潜力待挖掘,比如光信号的折射、干涉、衍射、偏振等很多特性还远未被有效利用。

其实,光粒子是一定物理环境下速度最快的粒子,同时光波又具有不同的波长、频率、偏振态和相位信息,可以用来代表不同数据。而利用光子芯片构建的光计算系统,运算速度快、信息失真少、消耗能量低(如果直观的运用在手机上,那就是表现为速度变得飞快的同时电池续航却变得更好了)。

理论上,光学计算机可以在启动的一瞬间完成所有信息处理,可对高复杂度、大数据量计算实时并行处理。

光子芯片的速度优势很明显,因为是依据光速来进行运算,只要在数字信号处理器上附加一个光学加速器,就可以制成光学数字信息处理器,可使传统电子芯片的运算速度得到巨大提升。

而由于光传输所造成的信息畸变和失真极小,光器件的开关速度比电子器件快得多,因此光计算机的运算速度在理论上可达每秒千亿次以上,这要比电子计算机要快数百万倍。

电子芯片和摩尔定律困境

电子芯片发展半个多世纪以来,始终遵循摩尔定律,但近几年随着对信息处理需求的爆炸式增长,电子芯片的发展也逐渐遇到了性能瓶颈。

虽然随着技术的发展电脑的芯片单元变得越来越小,但究其本质,今天的微型 CPU 与 70 年前跟房间一样大的计算机传输数据的方式都是一样的,都是在金属线中传递电子信号,这种信息的传递方式从人类进入信息时代就一直被延续。

所以随着数据传输量与日俱增、传输速度需求越来越高,特别是当来到 AI 时代,面对庞大的信息量和复杂多层的计算需求,电子芯片开始捉襟见肘。人们开始怀疑摩尔定律或许已经走到头了的时候,光子芯片的出现无疑能打破这一瓶颈。

由于光路在空中交叉传输又互不干扰,光计算具有天然的并行性,可在一个时间段内同时进行多路计算,不仅速度快而且结果精准。正如光纤传输正在逐步替代传统的铜线,光子芯片未来彻底替代电子芯片可能也只是时间问题。

现代战争,光子芯片的试金石

一项高精尖技术,往往都是从军用过渡到商用,最后到民用,所以一向技术的前景和成熟度,往往从世界先进的军事设施中就能看出一些端倪。

其实,目前光子芯片在军事领域的运用早已进入实施阶段,包括 NASA、美国海军空战中心、美国导弹防御局等机构都已经开始着手研究和开发相关技术。

利用光子芯片搭建量子计算机,能灵活模拟数字计算机的任意工作状态,将广泛应用于武器装备设计制造、情报获取和分析处理、战争设计与战场模拟、卫星导航定位等诸多领域。NASA 目前就在研制新一代超级计算机系统,而其中的计算核心单元正是光子芯片,同时美军多个机构都已经开始授权美国公司研究的先进光学处理器,主要用来加强大型军用雷达的芯片计算和处理能力,将在雷达探测领域得到重要应用。

再说回这次牛津大学研发出的这款光子芯片,负责芯片开发的副教授 Vladimir Stojanovic 说,开发出第一款能在外部世界通信的光芯片是重大突破,至于商业化,最大的挑战在于找到廉价的方法封装芯片。出于成本考虑,光芯片技术最先会用在数据中心中,然后才能进入到小设备。

但无论如何,光子芯片这项技术的成熟将给我们带来的影响是巨大的,最直观的体现就是在更强性能却更省电的处理器。而长远来看,这种远超人脑速度的计算能力可以赋予 AI 的将是无限的可能性。

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