隨著計算需求超越傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的能力，納米光子學已成為推進計算架構(gòu)的有前途的替代方案。通過利用光子而非電子，納米光子系統(tǒng)為下一代應用提供了更高的處理速度、更低的功耗和更好的可擴展性。

納米光子學是一個跨學科領域，研究納米尺度下的光與物質(zhì)相互作用，涉及小于100納米的結(jié)構(gòu)。在這個尺度上，光與物質(zhì)的相互作用方式獨特，產(chǎn)生諸如等離子體和光子晶體等光學現(xiàn)象，這些現(xiàn)象受量子力學支配。這些相互作用促進了精確的光操控，推動了節(jié)能計算、傳感和光開關技術的創(chuàng)新。

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將納米光子技術集成到計算系統(tǒng)中代表了計算能力的重大進步。納米光子系統(tǒng)利用光子而非電子進行數(shù)據(jù)傳輸和處理，相比傳統(tǒng)電子架構(gòu)實現(xiàn)了更優(yōu)越的性能指標。

各種研究表明，納米光子互連可以實現(xiàn)超過每秒100吉比特的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時將每比特的能耗保持在50飛焦以下，這標志著對傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的顯著改進。

其應用涵蓋多個領域，特別是在需要強大處理能力的人工智能和機器學習等領域。該技術在納米尺度上操控光的能力使得計算系統(tǒng)具有更高的速度、更低的延遲和優(yōu)化的能效。

這些特性使納米光子學成為未來計算進步的關鍵驅(qū)動力，解決了功耗挑戰(zhàn)，同時滿足了現(xiàn)代計算應用日益增長的需求。

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混合光電子處理器芯片的橫截面圖

高性能計算中的早期應用

納米光子學在高性能計算中嶄露頭角，特別是在數(shù)據(jù)中心和超級計算設施中。最初的部署集中在用光通信通道取代傳統(tǒng)的銅互連，從而減少了計算單元之間的延遲并提高了帶寬。

從電子互連到光互連的過渡經(jīng)歷了幾個階段。早期系統(tǒng)采用混合方法，結(jié)合電子和光學組件，以保持與現(xiàn)有基礎設施的兼容性，同時引入光通信的優(yōu)勢。

超級計算設施成為納米光子技術的主要受益者。光互連在超級計算機架構(gòu)中的集成支持了更緊湊和高效系統(tǒng)的開發(fā)。

最近的研究表明，系統(tǒng)性能有顯著提升，一些設施的節(jié)點間通信速度接近每秒400吉比特。

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一種帶有硅光子元件的多核芯片，可在內(nèi)核之間引導數(shù)據(jù)流量。

開創(chuàng)性技術發(fā)展

1.IBM的硅納米光子學突破

IBM憑借其集成光子電路成為納米光子計算的先驅(qū)，該電路通過電流控制光信號。隨后取得了關鍵進展，包括緊湊型光緩沖器（2006年）、低功耗硅光調(diào)制器（2007年）、寬帶光開關（2008年），以及2010年成功將光學和電氣組件集成在硅芯片上，實現(xiàn)了基于光的通信。

2012年12月，該公司通過使用標準90納米半導體技術將光學和電氣組件集成在單個硅芯片上，取得了重大里程碑。

這一創(chuàng)新使得超級計算機、數(shù)據(jù)中心和計算機芯片之間的高速光數(shù)據(jù)傳輸成為可能，使用了光探測器、超緊湊波分復用器、CMOS電路和調(diào)制器等先進組件。

該技術通過利用標準CMOS代工廠，消除了組裝多個組件或重新裝備工廠的需求。此外，芯片上的波分復用（WDM）設備支持在單根光纖內(nèi)并行光數(shù)據(jù)傳輸，顯著降低了互連成本。

2.新型納米光子模擬處理器

傳統(tǒng)計算架構(gòu)在解決復雜任務時面臨能效和速度的挑戰(zhàn)。然而，最近發(fā)表在《自然通訊物理學》上的一項研究開發(fā)了一種納米光子模擬處理器，使用近零介電常數(shù)（ENZ）材料和波長拉伸解決了偏微分方程（PDEs），準確率超過90%。

該處理器通過載流子注入可編程，在光通信波段內(nèi)運行，并以光速處理輸入。這種超電路方法實現(xiàn)了高速、低能耗、芯片級模擬計算，克服了傳統(tǒng)電子架構(gòu)的局限性，為超快計算提供了可重構(gòu)平臺。

3.MIT的可編程納米光子處理器

MIT的可編程納米光子處理器代表了光學計算的重大進步。該系統(tǒng)利用馬赫-曾德爾干涉儀陣列進行光學矩陣運算，允許快速處理神經(jīng)網(wǎng)絡計算。

研究人員證明，這些處理器可以以每秒超過100萬億次操作的速度執(zhí)行矩陣乘法，使其特別適合深度學習應用。

推動納米光子計算的材料創(chuàng)新

諸如硫化鎘納米線和超材料等先進材料提高了效率、處理速度和能量耗散，允許將光子組件與半導體技術集成，實現(xiàn)可擴展的芯片級處理器。

這些進展支持了高效緊湊的納米光子設備的開發(fā)，能夠以高速執(zhí)行復雜的計算任務，同時保持低能耗。

功能性納米線

在《科學進展》上發(fā)表的一項研究中，研究人員開發(fā)了一種使用相變材料Ge2Sb2Te5（GST）和硅的混合活性電介質(zhì)納米線的光子計算處理器。

當被光脈沖照射時，這些納米線表現(xiàn)出從電阻態(tài)到導電態(tài)的可逆相變，光的偏振調(diào)節(jié)材料的吸收。

這種方法促進了跨多個納米線的并行計算，利用光的速度和大帶寬增加了信息存儲和處理密度，超越了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的局限性。

鈮酸鋰

鈮酸鋰已成為納米光子波導技術中的關鍵材料，由于其獨特的光學和電學特性，實現(xiàn)了先進的信號處理。

最近，加州理工學院的研究人員利用這種材料創(chuàng)建了超快系統(tǒng)，實現(xiàn)了每次激活16飛焦和75飛秒的激活時間，標志著計算效率相對于當前電子系統(tǒng)的顯著提升。

這些能力為以前所未有的速度和能效運行的光子集成電路開辟了機會，具有在量子信息處理、精密傳感和先進計算平臺中的潛在應用。

消費電子和人工智能集成

1.智能手機技術進步

納米光子學的影響延伸到消費電子領域，推動了緊湊、高性能成像系統(tǒng)和節(jié)能顯示技術的進步。

華盛頓大學的研究人員開發(fā)了一種使用混合光學系統(tǒng)的納米光子相機，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)鏡頭與稱為“納米柱”的納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，促進了亞波長光操控，實現(xiàn)專業(yè)級成像。這些系統(tǒng)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡消除了笨重的相機突起，同時增強了深度傳感和低光性能。

在顯示器方面，Nanosys和Anders Electronics等公司為OLED屏幕引入了先進的納米光子材料，提供了更豐富的色彩、更深的黑色和更高的亮度，同時減少了電池消耗，為智能手機和可穿戴設備提供了顯著改進。

2.人工智能驅(qū)動應用

當前的人工智能時代需要前所未有的計算速度和能效，以處理復雜的算法和龐大的數(shù)據(jù)處理需求。納米光子技術通過超快數(shù)據(jù)處理和節(jié)能操作提供了變革性解決方案。

俄勒岡州立大學和勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員開發(fā)了具有固有光學雙穩(wěn)態(tài)的發(fā)光納米晶體，允許在光態(tài)和暗態(tài)之間快速切換。這些納米晶體提供了低功耗切換機制，通過減少能耗同時提高處理速度，解決了人工智能硬件中的關鍵能源挑戰(zhàn)。

這一突破有可能增強機器學習處理器、光電系統(tǒng)和先進計算平臺，實現(xiàn)更高效和強大的人工智能技術。

3.節(jié)能計算

納米光子計算技術與全球推動可持續(xù)和節(jié)能解決方案的趨勢一致。這些系統(tǒng)使用光進行數(shù)據(jù)傳輸和處理，最大限度地減少了傳統(tǒng)電子電路中固有的電阻損耗，從而呈現(xiàn)了一種更可持續(xù)的計算范式。

加州大學戴維斯分校的研究人員證明，全光學納米光子計算平臺將功耗降低了約1000倍，同時提高了計算速度。這種方法解決了電子電路中的阻抗問題，允許開發(fā)全光學輸入和輸出系統(tǒng)，重塑計算能效策略。

4.量子計算前景

納米光子學與量子計算的集成可能代表了計算技術中最激動人心的前沿。

Quandela和QuiX等公司處于這一創(chuàng)新的前沿。Quandela正在開發(fā)即插即用的量子點單光子發(fā)射器，QuiX正在使用氮化硅（SiN）波導平臺創(chuàng)建可重構(gòu)光子處理器。這些進展在量子信息處理、量子化學和機器學習等領域具有重要潛力。

然而，擴展這些系統(tǒng)在保持量子相干性和最小化光電路損耗方面面臨挑戰(zhàn)，促使研究更高效的單光子源和增強的波導技術。

納米光子學通過納米尺度上的光操控正在改變計算技術，克服了傳統(tǒng)限制，實現(xiàn)了前所未有的速度、能效和跨多種應用的先進能力。

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