惠普實驗室打造新型光學芯片，效率更快耗能更少

　　摩爾定律(Moore’sLaw)預(yù)測的集成芯片性能提升趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個世紀，然而即便技術(shù)不斷發(fā)展，但種種物理極限還是會制約著進一步的提升。甚至有學者認為，未來10到25年，傳統(tǒng)計算機的處理能力似乎逼近極限。隨著對摩爾定律終點研究的愈演愈烈，各大計算芯片公司開始探索開發(fā)利用光子替代電子來計算的方法。

　　惠普實驗室設(shè)計的全光學處理芯片

　　近日，惠普實驗室(HewlettPackardLabs)的研究人員已經(jīng)構(gòu)建出一種新型光學芯片，這稱得上是全球最復雜的光學芯片之一。據(jù)稱，該光學芯片能比常規(guī)芯片更高效、更快速地執(zhí)行優(yōu)化計算任務(wù)，消耗的能量也更少。

　　注：摩爾定律(Moore’sLaw)是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(GordonMoore)提出來的。其內(nèi)容為：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，大約每隔24個月便會增加一倍。經(jīng)常被引用的“18個月”，是由英特爾首席執(zhí)行官大衛(wèi)·豪斯(DavidHouse)所說：預(yù)計18個月會將芯片的性能提高一倍(即容納更多的晶體管使其更快)。

　　據(jù)電氣和電子工程師學會會刊(IEEESpectrum)報告稱，惠普實驗室團隊構(gòu)建了一個光學設(shè)備，包含有1052個光學組件協(xié)同工作，可以進行復雜計算任務(wù)。

　　這就像是一種基于光的所謂的伊辛機(IsingMachine)。伊辛機設(shè)備通常用溫度波動編碼復雜計算問題，并且通過辨別電子自旋方向如何在外界溫度變化的影響下隨著時間穩(wěn)定而獲得問題的解決方案。

　　相比之下，惠普實驗室的新型光學芯片則用光束代替電子，利用光的偏振特性模擬電子的兩個自旋態(tài)。同樣的，該新型光學器件通過小型加熱器編碼問題，光束在芯片的各個區(qū)域周圍掃動，直到光束達到穩(wěn)定狀態(tài)，則獲得解決方案。

　　惠普實驗室光學芯片，包括加熱線、微環(huán)諧振器、駁倒以及光學輸入/輸出組件。

　　電氣和電子工程師學會會刊(IEEESpectrum)詳細描述了該光學芯片的工作原理和技術(shù)：

　　惠普實驗室光學芯片上的四個區(qū)域稱為節(jié)點，用以支持由紅外光束形成的四個自旋。當光束離開節(jié)點之后，將被分束并與干涉儀內(nèi)部的來自其他每個節(jié)點的光束進行組合。內(nèi)置于干涉儀中的電加熱器則用于改變附近組件的折射率和物理尺寸。這將調(diào)整每個光束的光路長度，由此調(diào)整其相對于其他光束的相位。

　　微型加熱器的溫度對要解決的問題進行編碼，因為這將確定兩個光束合并時其中一個光束自旋狀態(tài)相對于另一個光束自旋的重要程度。所有這些相互作用的輸出隨之被冷凝并反饋回各個節(jié)點，其中稱為微環(huán)諧振器(microringresonators)的結(jié)構(gòu)將清除每個節(jié)點中的光束，使其再次恢復自旋態(tài)之一。光束循環(huán)遍歷干涉儀和各個節(jié)點，并在0度和180度的相位之間翻轉(zhuǎn)自旋態(tài)，直到整個系統(tǒng)平衡獲得單個解。

　　研究人員稱，該方法對于復雜問題優(yōu)化解決的效率要遠高于傳統(tǒng)芯片。該團隊以經(jīng)典的“旅行售貨員”(travelingsalesmanproblem)問題為例，證明該新型光學芯片的效率遠遠高于傳統(tǒng)芯片。“旅行售貨員”問題是一個經(jīng)典的數(shù)學挑戰(zhàn)，需要計算在多點之間最有效的路線。

　　此外，其他光學計算技術(shù)也有類似的優(yōu)點。正如深科技最近所報道的，基于激光的計算方法正被用于分析遺傳數(shù)據(jù)以及智能壓縮信息，并且速度要優(yōu)于傳統(tǒng)計算芯片。并且，隨著速度的提高，基于光的計算芯片消耗的能量也會更少。

　　光學計算芯片的速度快、效率高、能耗小，這就解釋了為什么像英特爾這樣的芯片巨頭也在研究如何構(gòu)建光學計算硬件。

　　惠普實驗室的最新研究成果則是光學計算硬件發(fā)展路上的另一個里程碑，這將進一步推進計算問題的優(yōu)化和效率提升。