惠普实验室打造新型光学芯片，效率更快耗能更少

　　摩尔定律（Moore’s Law）预测的集成芯片性能提升趋势已经持续了超过半个世纪，然而即便技术不断发展，但种种物理极限还是会制约着进一步的提升。甚至有学者认为，未来10到25年，传统计算机的处理能力似乎逼近极限。随着对摩尔定律终点研究的愈演愈烈，各大计算芯片公司开始探索开发利用光子替代电子来计算的方法。

惠普实验室设计的全光学处理芯片

　　近日，惠普实验室（Hewlett Packard Labs）的研究人员已经构建出一种新型光学芯片，这称得上是全球最复杂的光学芯片之一。据称，该光学芯片能比常规芯片更高效、更快速地执行优化计算任务，消耗的能量也更少。

　　注：摩尔定律（Moore’s Law）是由英特尔创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，大约每隔24个月便会增加一倍。经常被引用的“18个月”，是由英特尔首席执行官大卫·豪斯（DavidHouse）所说：预计18个月会将芯片的性能提高一倍（即容纳更多的晶体管使其更快）。

　　据电气和电子工程师学会会刊（IEEE Spectrum）报告称，惠普实验室团队构建了一个光学设备，包含有1052个光学组件协同工作，可以进行复杂计算任务。

　　这就像是一种基于光的所谓的伊辛机（Ising Machine）。伊辛机设备通常用温度波动编码复杂计算问题，并且通过辨别电子自旋方向如何在外界温度变化的影响下随着时间稳定而获得问题的解决方案。

　　相比之下，惠普实验室的新型光学芯片则用光束代替电子，利用光的偏振特性模拟电子的两个自旋态。同样的，该新型光学器件通过小型加热器编码问题，光束在芯片的各个区域周围扫动，直到光束达到稳定状态，则获得解决方案。

　　惠普实验室光学芯片，包括加热线、微环谐振器、驳倒以及光学输入/输出组件。

　　电气和电子工程师学会会刊（IEEE Spectrum）详细描述了该光学芯片的工作原理和技术：

　　惠普实验室光学芯片上的四个区域称为节点，用以支持由红外光束形成的四个自旋。当光束离开节点之后，将被分束并与干涉仪内部的来自其他每个节点的光束进行组合。内置于干涉仪中的电加热器则用于改变附近组件的折射率和物理尺寸。这将调整每个光束的光路长度，由此调整其相对于其他光束的相位。

　　微型加热器的温度对要解决的问题进行编码，因为这将确定两个光束合并时其中一个光束自旋状态相对于另一个光束自旋的重要程度。所有这些相互作用的输出随之被冷凝并反馈回各个节点，其中称为微环谐振器（microring resonators）的结构将清除每个节点中的光束，使其再次恢复自旋态之一。光束循环遍历干涉仪和各个节点，并在0度和180度的相位之间翻转自旋态，直到整个系统平衡获得单个解。

　　研究人员称，该方法对于复杂问题优化解决的效率要远高于传统芯片。该团队以经典的“旅行售货员”（traveling salesman problem）问题为例，证明该新型光学芯片的效率远远高于传统芯片。“旅行售货员”问题是一个经典的数学挑战，需要计算在多点之间最有效的路线。

　　此外，其他光学计算技术也有类似的优点。正如深科技最近所报道的，基于激光的计算方法正被用于分析遗传数据以及智能压缩信息，并且速度要优于传统计算芯片。并且，随着速度的提高，基于光的计算芯片消耗的能量也会更少。

　　光学计算芯片的速度快、效率高、能耗小，这就解释了为什么像英特尔这样的芯片巨头也在研究如何构建光学计算硬件。

　　惠普实验室的最新研究成果则是光学计算硬件发展路上的另一个里程碑，这将进一步推进计算问题的优化和效率提升。