惠普實(shí)驗(yàn)室打造新型光學(xué)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(gè)世紀(jì)，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(jìn)一步的提升。甚至有學(xué)者認(rèn)為，未來10到25年，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的處理能力似乎逼近極限。隨著對摩爾定律終點(diǎn)研究的愈演愈烈，各大計(jì)算芯片公司開始探索開發(fā)利用光子替代電子來計(jì)算的方法。

　　惠普實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的全光學(xué)處理芯片

　　近日，惠普實(shí)驗(yàn)室(HewlettPackardLabs)的研究人員已經(jīng)構(gòu)建出一種新型光學(xué)芯片，這稱得上是全球最復(fù)雜的光學(xué)芯片之一。據(jù)稱，該光學(xué)芯片能比常規(guī)芯片更高效、更快速地執(zhí)行優(yōu)化計(jì)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(gè)月便會增加一倍。經(jīng)常被引用的“18個(gè)月”，是由英特爾首席執(zhí)行官大衛(wèi)·豪斯(DavidHouse)所說：預(yù)計(jì)18個(gè)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(xué)會會刊(IEEESpectrum)報(bào)告稱，惠普實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)光學(xué)設(shè)備，包含有1052個(gè)光學(xué)組件協(xié)同工作，可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算任務(wù)。

　　這就像是一種基于光的所謂的伊辛機(jī)(IsingMachine)。伊辛機(jī)設(shè)備通常用溫度波動編碼復(fù)雜計(jì)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(shí)間穩(wěn)定而獲得問題的解決方案。

　　相比之下，惠普實(shí)驗(yàn)室的新型光學(xué)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(gè)自旋態(tài)。同樣的，該新型光學(xué)器件通過小型加熱器編碼問題，光束在芯片的各個(gè)區(qū)域周圍掃動，直到光束達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，則獲得解決方案。

　　惠普實(shí)驗(yàn)室光學(xué)芯片，包括加熱線、微環(huán)諧振器、駁倒以及光學(xué)輸入/輸出組件。

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

　　惠普實(shí)驗(yàn)室光學(xué)芯片上的四個(gè)區(qū)域稱為節(jié)點(diǎn)，用以支持由紅外光束形成的四個(gè)自旋。當(dāng)光束離開節(jié)點(diǎn)之后，將被分束并與干涉儀內(nèi)部的來自其他每個(gè)節(jié)點(diǎn)的光束進(jìn)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(gè)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(jìn)行編碼，因?yàn)檫@將確定兩個(gè)光束合并時(shí)其中一個(gè)光束自旋狀態(tài)相對于另一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)，其中稱為微環(huán)諧振器(microringresonators)的結(jié)構(gòu)將清除每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的光束，使其再次恢復(fù)自旋態(tài)之一。光束循環(huán)遍歷干涉儀和各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并在0度和180度的相位之間翻轉(zhuǎn)自旋態(tài)，直到整個(gè)系統(tǒng)平衡獲得單個(gè)解。

　　研究人員稱，該方法對于復(fù)雜問題優(yōu)化解決的效率要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)芯片。該團(tuán)隊(duì)以經(jīng)典的“旅行售貨員”(travelingsalesmanproblem)問題為例，證明該新型光學(xué)芯片的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)芯片。“旅行售貨員”問題是一個(gè)經(jīng)典的數(shù)學(xué)挑戰(zhàn)，需要計(jì)算在多點(diǎn)之間最有效的路線。

　　此外，其他光學(xué)計(jì)算技術(shù)也有類似的優(yōu)點(diǎn)。正如深科技最近所報(bào)道的，基于激光的計(jì)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(jì)算芯片。并且，隨著速度的提高，基于光的計(jì)算芯片消耗的能量也會更少。

　　光學(xué)計(jì)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(xué)計(jì)算硬件。

　　惠普實(shí)驗(yàn)室的最新研究成果則是光學(xué)計(jì)算硬件發(fā)展路上的另一個(gè)里程碑，這將進(jìn)一步推進(jìn)計(jì)算問題的優(yōu)化和效率提升。