日本研究人員開發出新型光子加速器,有助於提升運算速度與效率

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

據美國物理研究所官網近日報導，日本的一組研究人員開發出一款稱為「PAXEL」的新型處理器。該器件有望繞過摩爾定律，提升運算速度與效率。PAXEL 代表光子加速器，安放在數字計算機前端，優化執行特定的功能，但功耗卻比完全電子化的器件更低。

背景

金屬氧化物半導體場效應電晶體是大多數集成電路的基礎，但是它們受制於摩爾定律。摩爾定律指出：「當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」

摩爾定律-集成電路晶片上電晶體數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）

然而，這裡存在著一個固有的限制，這個限制基於處理器晶片的尺寸與電子的量子力學特性之間的關聯方式。換句話說，5納米堪稱電晶體的物理極限。一旦電晶體尺寸低於這個數字，由於「量子隧穿效應」，電子將不再受制於歐姆定律，穿越了本來無法穿越的勢壘。這樣會引起集成電路的漏電現象，讓電晶體變得不再可靠。

並行處理，可以部分解決摩爾定律所帶來的問題。在並行處理中，多個處理器可以同時展開運算。然而，這個方案並不是對每個應用都有效。

創新

然而，值得慶幸的是，光子並不遵守摩爾定律。因此，在美國物理研究所出版的《APL Photonics》期刊上發表的一篇論文中，研究人員們提出了另一項技術，即採用光線在集成電路中傳輸數據。

下圖所示：用於數字計算的電子集成電路的演進與瓶頸；雲計算與霧計算的對比，以及 PAXEL 設備的使用。

（圖片來源：Ken-ichi Kitayama）

如今，許多新的科研進展都採用光子集成電路（PICs）取代電子集成電路。例如，德國明斯特大學、英國牛津大學和埃克塞特大學開發出一款新型晶片。它含有人工神經元網絡，這種人工神經元能在光線作用下工作，並能夠模仿人腦神經元與突觸的行為。

基於光線的腦啟發晶片示意圖。（圖片來源：Johannes Feldmann）

再例如，美國麻省理工學院的研究人員開發的一款新型光子加速器，它採用更加緊湊的光學元件和光學信號處理技術，顯著地降低了能耗和晶片面積。這項技術使得晶片可以擴展應用到比電子神經網絡大幾個數量級的光學神經網絡上。

（圖片來源：麻省理工學院）

PAXEL 加速器也採用了這個方法，並採用節能的納米光子器件，納米光子器件是非常小的光子集成電路。

技術

納米光子器件，例如 PAXEL 中採用的那些器件，以光速運行，並通過模擬的方式展開計算，將數據映射到不同的光強度等級上，然後以不同的光強度執行乘法或者加法。研究人員考慮將不同的 PAXEL 架構，應用於人工神經網絡、儲備池計算、門邏輯、決策以及壓縮感知等各個領域。

一個特別有意思的 PAXEL 應用就是所謂的霧計算。這種計算方式類似於雲計算，但卻採用靠近「地面（事件初始產生的地方）」的計算資源（伺服器）。平板電腦或者其他手持設備中的小型 PAXEL 能夠檢測信號，並通過5G無線鏈路向附近的霧計算資源傳輸信息，進行數據分析。

移動的硬體加速器通過5G網絡與邊緣計算/霧計算通信（圖片來源：參考資料【1】）

價值

這項新技術有望應用於一系列領域，包括醫療和獸醫床邊檢測、診斷、藥物和食品檢測、生物防衛等。隨著越來越多的家用以及商用設備聯網，我們越來越需要更好的計算能力，包括以更高的能量效率傳輸數據。像 PAXEL 這樣的進展將有助於滿足這些需求。

關鍵字

摩爾定律、並行計算、光子集成電路、霧計算

參考資料

【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

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