V roce 1965 navrhl Gordon Moore, spoluzakladatel společnosti Intel, Mooreův zákon a předpovídal, že hustota tranzistorů na čipy by se každých 18 až 24 měsíců zdvojnásobila.Po desetiletích vývoje se však elektronické čipy na bázi křemíku blíží fyzickým teoretickým limitům jejich schopností.
Vznik fotonických čipů je považován za klíčový způsob, jak prorazit omezení Mooreova zákona.
Nedávno tým vedený docentem Wangem Chengem z městské univerzity v Hongkongu ve spolupráci s vědci z Čínské univerzity v Hongkongu vyvinul mikrovlnný fotonický čip pomocí lithia niobte jako platformu.Tento čip zpracovává signalizace rychleji a spotřebovává méně energie a používá optiku pro ultra rychlé analogové elektronické zpracování a výpočet signálu.
Výzkum byl publikován v „Nature“ 29. února.Uvádí se, že integrované lithiové niobatové mikrovlnné fotonické čipy jsou nejen 1000krát rychlejší než tradiční elektronické procesory, ale mají také super širokou šířku pásma a extrémně vysokou výpočetní přesnost s nižší spotřebou energie.
Koncept fotonických čipů již není obeznámen a nové technologie v oblasti fotonických čipů se často objevují.Například v prosinci 2022 tým vedený profesorem Zou Weiwen z oddělení elektronického inženýrství na škole elektronických informací a elektrotechniky univerzity v Šanghaji Jiao Tong navrhl inovativní myšlenku, která protíná fotoniku s výpočetní vědou.Vyvinuli nový typ čipu zpracování fotonického tenzoru schopného vysokorychlostního tenzorového konvolučního provozu.Výsledky byly zveřejněny v „Nature“ pod názvem „zpracování tenzorového proudu vysokého řádu založené na integrovaných fotonických čipech“.
Kromě toho čínští vědci provedli významné průlomy ve fotonických integrovaných obvodech, fotonických tranzistorech a optických výpočtech.Tyto úspěchy nejen prokazují čínskou sílu v technologii fotonických čipů, ale také významně přispívají k rozvoji globálního průmyslu fotonických čipů.
V posledním desetiletí se fotonická technologie stala ústředním bodem pro příští generaci informačních technologií, umělé inteligence, inteligentních vozidel a zdravotní péče.Je také považována za jednu z klíčových technologií pro udržení vedoucí pozice na mezinárodním trhu v souvisejících zemích.
Jednoduše řečeno, fotonický čip je čip, který používá optické signály pro sběr dat, přenos, výpočet, skladování a zobrazení.Fotonické čipy jsou v současné době vysoce vyhledávány hlavně kvůli dvěma výhodám: výkon a výroba.
Výhoda 1: Vysoká rychlost výpočtu, nízká spotřeba energie a nízká latence
Ve srovnání s tradičními elektronickými čipy mají fotonické čipy mnoho výhod, zejména z hlediska vysoké rychlosti a nízké spotřeby energie.Optické signály se přenášejí rychlostí světla, což výrazně zvyšuje rychlost;V ideálním případě fotonické čipy vypočítají přibližně 1000krát rychleji než elektronické čipy.Fotonic Computing spotřebovává méně energie, přičemž spotřeba energie optických výpočtů bude očekávána, že bude až 10^-18 joulů za bit (10^-18 J/bit).Se stejnou spotřebou energie jsou fotonická zařízení stokrát rychlejší než elektronická zařízení.
Světlo má navíc přirozenou schopnost pro paralelní zpracování a technologii multiplexování vlnových délek, což výrazně zvyšuje kapacitu zpracování dat, skladování a šířku pásma fotonických čipů.Frekvence, vlnová délka, stav polarizace a fáze světelných vln mohou představovat různá data a světelné cesty se při přechodu navzájem nezasahují.Tyto charakteristiky způsobují, že fotony zběsily paralelní výpočetní techniku, dobře se přizpůsobují umělým neuronovým sítím, kde většina výpočetního procesu zahrnuje „násobení matice“.
Celkově mají fotonické čipy vysokou výpočetní rychlost, nízkou spotřebu energie a nízkou latenci a jsou méně náchylné ke změnám teploty, elektromagnetických polích a hluku.
Výhoda 2: nižší požadavky na výrobu
Na rozdíl od čipů integrovaných obvodů mají fotonické čipy relativně nižší výrobní požadavky.Nejvyšší technické bariéry leží v epitaxiálním designu a výrobě.Technologická cesta světla má výhody, jako je vysoká rychlost, nízká spotřeba energie a anti-crosstalk, což jí umožňuje nahradit mnoho funkcí elektroniky.
Sui Jun, prezident čínské technologie Xintong Microelectronics Technology (Beijing) Co., Ltd., kdysi uvedl: „Fotonické čipy nemusí používat extrémně špičkové litografické stroje, jako jsou extrémní ultrafialové (EUV) litografické stroje potřebné pro elektronické třísky. Můžemeprodukují je pomocí relativně zralých domácích materiálů a vybavení. “
Pokud jde o to, zda fotonické čipy nahradí elektronické čipy, je důležité porozumět současným problémům s elektronickými čipy.
První výzvou pro elektronické čipy je omezení Mooreova zákona.V posledních 50 letech by se hustota tranzistorů mohla zdvojnásobit každých 18-20 měsíců, ale z fyzického hlediska je velikost atomu téměř 0,3 nanometrů.Když polovodičový proces dosáhne 3 nanometrů, je velmi blízko fyzickému limitu, takže je téměř nemožné pokračovat v zdvojnásobení každých 18-20 měsíců.