新型光子加速器：用光线提升运算速度与效率！

导读

据美国物理研究所官网近日报道，日本的一组研究人员开发出一款称为“PAXEL”的新型处理器。该器件有望绕过摩尔定律，提升运算速度与效率。PAXEL 代表光子加速器，安放在数字计算机前端，优化执行特定的功能，但功耗却比完全电子化的器件更低。

背景

金属氧化物半导体场效应晶体管是大多数集成电路的基础，但是它们受制于摩尔定律。摩尔定律指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”

摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）

然而，这里存在着一个固有的限制，这个限制基于处理器芯片的尺寸与电子的量子力学特性之间的关联方式。换句话说，5纳米堪称晶体管的物理极限。一旦晶体管尺寸低于这个数字，由于“量子隧穿效应”，电子将不再受制于欧姆定律，穿越了本来无法穿越的势垒。这样会引起集成电路的漏电现象，让晶体管变得不再可靠。

并行处理 ，可以部分解决摩尔定律所带来的问题。在并行处理中，多个处理器可以同时展开运算。然而，这个方案并不是对每个应用都有效。

创新

然而，值得庆幸的是，光子并不遵守摩尔定律。因此，在美国物理研究所出版的《APL Photonics》期刊上发表的一篇论文中，研究人员们提出了另一项技术，即采用光线在集成电路中传输数据。

用于数字计算的电子集成电路的演进与瓶颈；云计算与雾计算的对比，以及 PAXEL 设备的使用。（图片来源：Ken-ichi Kitayama）

如今，许多新的科研进展都采用 光子集成电路（PICs） 取代电子集成电路。例如，德国明斯特大学、英国牛津大学和埃克塞特大学开发出一款新型芯片。它含有人工神经元网络，这种人工神经元能在光线作用下工作，并能够模仿人脑神经元与突触的行为。

基于光线的脑启发芯片示意图。（图片来源：Johannes Feldmann）

再例如，美国麻省理工学院的研究人员开发的一款新型光子加速器，它采用更加紧凑的光学元件和光学信号处理技术，显著地降低了能耗和芯片面积。这项技术使得芯片可以扩展应用到比电子神经网络大几个数量级的光学神经网络上。

（图片来源：麻省理工学院）

PAXEL 加速器也采用了这个方法，并采用节能的 纳米光子器件 ，纳米光子器件是非常小的光子集成电路。

技术

纳米光子器件，例如 PAXEL 中采用的那些器件，以光速运行，并通过模拟的方式展开计算，将数据映射到不同的光强度等级上，然后以不同的光强度执行乘法或者加法。研究人员考虑将不同的 PAXEL 架构，应用于人工神经网络、储备池计算、门逻辑、决策以及压缩感知等各个领域。

一个特别有意思的 PAXEL 应用就是所谓的 雾计算 。这种计算方式类似于云计算，但却采用靠近“地面（事件初始产生的地方）”的计算资源（服务器）。 平板电脑或者其他手持设备中的小型 PAXEL 能够检测信号，并通过5G无线链路向附近的雾计算资源传输信息，进行数据分析。

移动的硬件加速器通过5G网络与边缘计算/雾计算通信（图片来源：参考资料【1】）

价值

这项新技术有望应用于一系列领域，包括医疗和兽医床边检测、诊断、药物和食品检测、生物防卫等。随着越来越多的家用以及商用设备联网，我们越来越需要更好的计算能力，包括以更高的能量效率传输数据。像 PAXEL 这样的进展将有助于满足这些需求。

关键字

摩尔定律、并行计算、光子集成电路、雾计算

参考资料

【1】Ken-ichi Kitayama, Masaya Notomi, Makoto Naruse, Koji Inoue, Satoshi Kawakami, Atsushi Uchida. Novel frontier of photonics for data processing—Photonic accelerator. APL Photonics, 2019; 4 (9): 090901 DOI: 10.1063/1.5108912
【2】https://publishing.aip.org/publications/latest-content/using-light-to-speed-up-computation/

---

了解更多前沿技术，请点击“阅读原文”。