當(dāng)前，人工智能（AI）訓(xùn)練等復(fù)雜任務(wù)的規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，各行各業(yè)對(duì)算力提升的需求與日俱增。而傳統(tǒng)電子計(jì)算架構(gòu)受到“馮·諾依曼瓶頸”等問題限制，量子計(jì)算目前又處于發(fā)展初期。在這樣的背景下，用光而非電來處理數(shù)據(jù)的光計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸嶄露頭角。
世界經(jīng)濟(jì)論壇官網(wǎng)日前在一篇報(bào)道中指出，近年來，光計(jì)算呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢。部分技術(shù)路線發(fā)展迅猛，正逐步走出實(shí)驗(yàn)室，邁向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，未來有望在智算中心、新材料研發(fā)等多領(lǐng)域應(yīng)用中大放異彩。
光計(jì)算優(yōu)勢顯著
光是一種傳播極快、信息維度豐富且能耗極低的物理媒介。光計(jì)算以光子替代電子作為計(jì)算載體，與傳統(tǒng)的電子計(jì)算相比，擁有更多優(yōu)勢。首先，光具有波長、相位、振幅、偏振和波導(dǎo)模式等多個(gè)物理維度，天然支持并行計(jì)算，因此光子器件特別適用于科學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等高密集型任務(wù)。其次，光子運(yùn)行幾乎不產(chǎn)生熱量，能耗優(yōu)勢顯著。三是光子器件具備更寬的帶寬，在處理寬帶模擬信號(hào)時(shí)性能遠(yuǎn)超電子器件。四是光學(xué)器件在運(yùn)算速度方面表現(xiàn)出色，響應(yīng)迅捷，幾乎無延時(shí)，顯著提升計(jì)算時(shí)效。
光計(jì)算充分利用了光在速度與效率上的天然優(yōu)勢，有望為當(dāng)前的計(jì)算范式帶來革命性突破。
不同架構(gòu)各有千秋
當(dāng)前，光計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域已涌現(xiàn)出多種架構(gòu)，它們各有優(yōu)劣。
自由空間光學(xué)（FSO）是最早出現(xiàn)的光計(jì)算形式。FSO系統(tǒng)借助透鏡、空間光調(diào)制器和光掩模等元件，在空氣或真空中對(duì)光進(jìn)行操控以處理信息。
FSO在走向?qū)嵱没^程中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一在于提升系統(tǒng)的耐用性與可靠性。這要求科學(xué)家進(jìn)一步優(yōu)化光機(jī)械工程，例如集成固態(tài)光學(xué)模塊、內(nèi)置空間光調(diào)制器（SLM）或采用光子超材料。目前用于調(diào)控光路的SLM響應(yīng)速度遠(yuǎn)低于電子器件，不過，新一代更快、更高分辨率的調(diào)制器已在研發(fā)中，有望取得突破。
光子芯片則整合了激光器、分束器、干涉儀等微型光學(xué)元件，可便捷地融入現(xiàn)有電子架構(gòu)。該技術(shù)路線雖發(fā)展迅速，但多數(shù)方案難以擴(kuò)展至更復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。一些公司另辟蹊徑，從研制全光學(xué)AI芯片轉(zhuǎn)向開發(fā)光學(xué)互連設(shè)備（利用光在電子組件間高速傳輸數(shù)據(jù)）。這一路徑依賴新材料與新器件的創(chuàng)新，以降低信號(hào)損耗、提升計(jì)算精度。鈮酸鋰在早期實(shí)驗(yàn)中已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
光纖系統(tǒng)則依托成熟的光纖通信基礎(chǔ)設(shè)施，借助光纖中的導(dǎo)光實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算，尤其適用于求解優(yōu)化問題和人工智能中的難題。一個(gè)典型例子是“相干伊辛機(jī)”，其可通過光纖環(huán)路發(fā)送光脈沖以執(zhí)行運(yùn)算。遺憾的是，它的關(guān)鍵功能仍依賴電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)，為此不得不頻繁進(jìn)行光—電轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致計(jì)算速度大幅下降。未來該系統(tǒng)或轉(zhuǎn)向基于芯片的架構(gòu)，以提升集成度和可擴(kuò)展性。
此外，也有科學(xué)家正在開發(fā)多芯特種光纖，以借助不同纖芯同步處理多項(xiàng)計(jì)算，但這類多芯光纖系統(tǒng)多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
技術(shù)瓶頸亟待突破
目前，光計(jì)算發(fā)展正值關(guān)鍵窗口期。在全球?qū)Ω?、更環(huán)保、更強(qiáng)算力的迫切需求下，光計(jì)算系統(tǒng)提供了一種新的可能——既能與傳統(tǒng)硅基系統(tǒng)互補(bǔ)，也有望在部分場景中實(shí)現(xiàn)超越。
短期內(nèi)，全光學(xué)自由空間系統(tǒng)似乎最具可行性，而融合光與電的混合系統(tǒng)也大有可為，集計(jì)算與存儲(chǔ)于一體的“內(nèi)存計(jì)算”架構(gòu)也極具潛力。
從中期看，結(jié)合空間與時(shí)間維度的新型處理架構(gòu)，或?qū)⒈憩F(xiàn)出更卓越的性能與能效。
盡管光計(jì)算發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，但在走向商業(yè)化應(yīng)用之前，仍有一些技術(shù)瓶頸亟待突破。
首先是精度與穩(wěn)定性問題。鑒于光學(xué)系統(tǒng)易受元件錯(cuò)位、溫度波動(dòng)或信號(hào)隨機(jī)噪聲的干擾，目前研究人員正通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)、實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)等技術(shù)提升其抗干擾能力。
光學(xué)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)也是一大難題。針對(duì)這一點(diǎn)，基于光學(xué)腔的系統(tǒng)或可徹底避免數(shù)據(jù)在處理器與內(nèi)存之間遷移產(chǎn)生的損耗。
集成與封裝方面同樣存在挑戰(zhàn)。但3D封裝技術(shù)和新材料的創(chuàng)新，或許能提升可擴(kuò)展性并降低成本。
原標(biāo)題：光計(jì)算技術(shù)加速邁向商業(yè)化
記者：劉霞
責(zé)任編輯：王婉瑩
網(wǎng)頁編輯：蘇偉