"هل تؤمن بالضوء؟" إذا سألك أحد عشاق الرقائق هذا السؤال ، فليس من المعجبين فجأة. إنه بدأ يلاحظ أن "الضوء" بدأ في إثارة عالم الرقائق.
منحت جائزة نوبل في الفيزياء 2023 في الفيزياء "تقنية النبض الخفيفة غير المتماثلة" ، و "كيفية استخدام الضوء لحساب" أصبحت أيضًا موضوعًا مهمًا في الصناعة والأوساط الأكاديمية. يمكن للضوء ، الذي هو سريع بشكل طبيعي ، إكمال ترقية "البنية التحتية" للعالم الذكي في عصر الذكاء الاصطناعي بسرعة لا تصدق؟
الفوتونات تتولى من الإلكترونات
بالمقارنة مع الرقائق الإلكترونية الأكثر تقليدية ، فإن الرقائق الضوئية هي نوع جديد من الرقائق التي تستخدم خصائص الفوتونات لحسابها.
في جوهرها ، تعتمد الرقائق على الخواص الفيزيائية لمواد أشباه الموصلات لمعالجة الجزيئات المجهرية التي تحمل المعلومات ، لكن أنواعًا مختلفة من الرقائق تستخدم ناقلات الجسيمات المختلفة. وقالت LEI MI ، الشريك المؤسس لنجم الابتكار في الصين: "تستخدم الرقائق الضوئية الفوتونات لإنشاء المعلومات ومعالجتها ونقلها وعرضها".
بالمقارنة مع الإلكترونات ، فإن مزايا الفوتونات واضحة: لديهم وقت استجابة سريع للغاية لإرسال المعلومات ، 3-4 أوامر ذات قدرة أعلى من قدرة المعلومات من الإلكترونات ، والتخزين القوي ، والحوسبة ، وحتى إمكانات الترابط المتوازية ، واستهلاك الطاقة المنخفضة للغاية ... إنها إمكانية تعني هذه المزايا المحتملة لصناعة المعلومات.
الآن ، مع ظهور عصر الذكاء الاصطناعي ، يرتفع الطلب على قوة الحوسبة. ومع ذلك ، فإن تطوير الرقائق الإلكترونية قد وصل إلى حد التكاليف المادية والاقتصادية ، ويسمع باستمرار "فشل قانون مور".
تعتمد الرقائق الإلكترونية على السيليكون ، مع ذرات السيليكون التي يبلغ قطرها حوالي 0. 22 نانومتر. عندما يتم تقليل العملية إلى أقل من 7 نانومترات ، تكون الرقائق الإلكترونية عرضة للغاية للعروض الكهربائية وقضايا انهيار الإلكترون ، مما يجعل من الصعب التحكم في الإلكترونات تمامًا. في موجة النماذج الكبيرة التي ظهرت في عام 2023 ، أصبحت أوجه القصور في الرقائق الإلكترونية التقليدية واضحة.
فوتونيك رقائق ظهور فجر جديد. إنهم لا يعدون فقط بمعالجة التحديات التي لا يمكن التغلب عليها لاستهلاك الطاقة والوصول إلى الذاكرة في الرقائق الإلكترونية ، ولكن أيضًا تؤدي إلى العديد من سيناريوهات التطبيق المبتكرة. تمشيا مع هذا ، تحل المسارات البصرية محل الدوائر الكهربائية ، ومصادر الليزر تأخذ مكان إمدادات الطاقة ... من خلال التخلص من الحاجة إلى التحويل الكهروضوئي ، من الممكن تجاوز الحدود المادية الحالية واختراق عنق الزجاجة الحاسوبية من الرقائق. حاليًا ، بدأت المنافسة في هذا المجال بالفعل بين أفضل مؤسسات البحث على الصعيدين المحلي والدولي.
في أبريل من هذا العام ، رائد فريق أبحاث من جامعة تسينغهوا بنية الحوسبة البصرية الذكية الموزعة في العالم. لقد صمموا رقاقة ضوئية -- "Taiji" لمهام AI المتقدمة ، والتي لديها كفاءة الطاقة من 2 إلى 3 أوامر ذات حجم أعلى من تلك الموجودة في الرقائق الذكية الحالية ، ويمكن أن توفر دعمًا للحوسبة للمهام مثل التحليل الذكي للمشاهد الكبيرة والتدريب على النماذج الكبيرة.
في شهر مايو ، طور فريق بحث في معهد شنغهاي لنظام Microsystem وتكنولوجيا المعلومات التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم الرقاقة التي تم دمجها في الليثيوم ، والتي تم استخدامها أيضًا لأول مرة لصنع رقائق ضوئية عالية الأداء وإنتاجها.
هل رقاقة الفوتون ليست بعيدة حقًا؟
كيف ترويض الضوء؟
بالإضافة إلى التطلع إلى المستقبل ، دعونا نفكر أكثر في كيفية عمل رقائق الضوئية؟
تتكون شريحة إلكترونية من ترانزستور إلكتروني وسلك نحاسي موصل. تتكون رقاقة ضوئية من ترانزستور ضوئي ودليل موجة يجري الضوء. الدليل الموجي هو الوسيلة لانتشار الضوء ، مثل الألياف البصرية المألوفة.
وفقًا لوظائفها ، يمكن تقسيم الرقائق الضوئية إلى فئتين: رقائق الليزر ورقائق الكاشف. تحتاج رقائق الليزر إلى استخدام الطاقة الكهربائية للتيار المحقن بواسطة مواد أشباه الموصلات لتحقيق تحويل الكهرباء والضوء. تحدد رقائق الكاشف الإشارات البصرية من خلال التأثير الكهروضوئي وتحويلها إلى إشارات كهربائية.
كيفية التحكم في إخراج الضوء؟ من الناحية المثالية ، سيكون ترانزستور بصري بالكامل يحركه الضوء. ومع ذلك ، فإن التكنولوجيا ليست ناضجة بعد ؛ لا تزال الرقائق الضوئية النقية في المرحلة المفاهيمية ، ولا تزال المكونات الأساسية للبطاطا الضوئية الأجهزة الهجينة الكهروم البصرية تستخدم الضوء للقيادة والكهرباء للتحكم. استنادًا إلى تعديل الإلكترونية البصرية ، أطلقت جامعة Tsinghua رقاقة Taiji II في أغسطس من هذا العام ، حيث حققت التدريب عبر الإنترنت للشبكات العصبية البصرية دون الحاجة إلى وحدة معالجة الرسومات.
من خلال تكامل الأجهزة الهجينة الكهربائية البصرية ، يتم دمج العملية الكاملة للتشكيل ، ونقل ، وإلغاء التشكيل بين الإشارات البصرية والإشارات الكهربائية على ركيزة واحدة. هذا يشكل الأساس لمعالجة البيانات عالية السرعة في الرقائق. بفضل ميزة حجم الطول الموجي لأمواج الضوء ، يمكن تصنيع الرقائق الضوئية باستخدام عمليات ناضجة بأطوال موجية صغيرة مثل مائة نانومتر ، مما يتيح الإنتاج المحلي الكامل لهذه الرقائق.
أين سيتم استخدام رقائق الفوتونات؟
كما قلت ، فإن رقائق الضوئيات لديها القدرة على اختراق عنق الزجاجة من طاقة الحوسبة من الرقائق الإلكترونية. بالإضافة إلى ذلك ، ما هي المناطق الأخرى التي يمكن استخدامها؟
من المعروف أن سرعة الضوء هي الأسرع المعروفة في الكون. الاستفادة من خصائص النقل عالية السرعة للضوء ، أول ما يتبادر إلى الذهن مع رقائق الضوئي هو نقل البيانات عالية السرعة. "شبكة الألياف البصرية + رقاقة ضوئية" تشير إلى عصر جديد من الاتصالات عالية السرعة. علاوة على ذلك ، فإن مقاومة التداخل للرقائق الضوئية تتيح أيضًا أن تصبح الرادار الضوئي حقيقة واقعة.
تطبيق الرقائق الضوئية في الحقول الأخرى واعدة أيضا. على سبيل المثال ، في الطب الحيوي ، يمكن استخدام الرقائق الضوئية للتصوير البصري والتحليل الطيفي ، وتمكين الكشف السريع وتحليل الخلايا والأنسجة والأدوية. في المراقبة البيئية ، يمكن تطبيق الرقائق الضوئية على أجهزة استشعار الغاز ومراقبة التلوث ، مما يجعل المراقبة في الوقت الفعلي وتقييم الجودة البيئية أكثر كفاءة.
بدأت رقائق الحوسبة البصرية في الخروج من المختبر ، ويأمل العلماء أنه بعد سلسلة من الجهود الهندسية ، يمكن إنتاج رقائق الضوء التجاري بطريقة مستقرة في أقرب وقت ممكن. وهذا يعني أن تكلفة الرقائق الضوئية يمكن قبولها على نطاق واسع من قبل الصناعة.
