Em 1965, Gordon Moore, co-fundador da Intel, propôs a lei de Moore, prevendo que a densidade dos transistores nas fichas dobraria a cada 18 a 24 meses.No entanto, após décadas de desenvolvimento, os chips eletrônicos baseados em silício estão se aproximando dos limites teóricos físicos de suas capacidades.
O surgimento de chips fotônicos é visto como uma maneira essencial de romper as limitações da lei de Moore.
Recentemente, uma equipe liderada pelo professor associado Wang Cheng, da City University of Hong Kong, em colaboração com pesquisadores da Universidade Chinesa de Hong Kong, desenvolveu um chip fotônico de microondas usando niobato de lítio como plataforma.Isso processa o chip sinaliza mais rapidamente e consome menos energia, usando óptica para processamento e computação de sinal eletrônico analógico ultra-rápido.
A pesquisa foi publicada em "Nature" em 29 de fevereiro.É relatado que os chips fotônicos de microondas integrados de lítio não são apenas 1000 vezes mais rápido que os processadores eletrônicos tradicionais, mas também têm uma largura de banda de processamento super ampla e precisão computacional extremamente alta, com menor consumo de energia.
O conceito de chips fotônicos não é mais familiar, e novas tecnologias no campo dos chips fotônicas estão surgindo com frequência.Por exemplo, em dezembro de 2022, uma equipe liderada pelo professor Zou Weiwen, do Departamento de Engenharia Eletrônica da Escola de Informações Eletrônicas e Engenharia Elétrica da Universidade de Xangai Jiao Tong, propôs uma idéia inovadora que cruza a fotônica com ciência computacional.Eles desenvolveram um novo tipo de chip de processamento de tensores fotônicos capaz de operações de convolução tensor de alta velocidade.Os resultados foram publicados em "Nature" sob o título "Processamento de fluxo de tensores de alta ordem com base em chips fotônicos integrados".
Além disso, os pesquisadores chineses fizeram avanços significativos em circuitos integrados fotônicos, transistores fotônicos e computação óptica.Essas realizações não apenas demonstram a força da China na tecnologia de chips fotônicos, mas também contribuem significativamente para o desenvolvimento da indústria global de chips fotônicos.
Na década passada, a tecnologia fotônica se tornou um ponto focal para a próxima geração de tecnologia da informação, inteligência artificial, veículos inteligentes e assistência médica.Também é considerado uma das principais tecnologias para manter uma posição de liderança no mercado internacional por países relacionados.
Simplificando, um chip fotônico é um chip que usa sinais ópticos para aquisição de dados, transmissão, computação, armazenamento e exibição.Os chips fotônicos são muito procurados na era atual, principalmente devido a duas vantagens: desempenho e fabricação.
Vantagem 1: alta velocidade de computação, baixo consumo de energia e baixa latência
Comparados aos chips eletrônicos tradicionais, os chips fotônicos têm muitas vantagens, principalmente em termos de consumo de alta velocidade e baixa energia.Os sinais ópticos transmitem à velocidade da luz, aumentando muito a velocidade;Idealmente, os chips fotônicos calculam aproximadamente 1000 vezes mais rápido que os chips eletrônicos.A computação fotônica consome menos energia, com o consumo de energia da computação óptica que deve ser tão baixa quanto 10^-18 joules por bit (10^-18 J/bit).Com o mesmo consumo de energia, os dispositivos fotônicos são centenas de vezes mais rápida que os dispositivos eletrônicos.
Além disso, a luz tem uma capacidade natural de processamento paralelo e tecnologia de multiplexação de divisão de comprimento de onda madura, aumentando bastante a capacidade de processamento de dados, armazenamento e largura de banda dos chips fotônicos.A frequência, o comprimento de onda, o estado de polarização e a fase das ondas de luz podem representar dados diferentes, e os caminhos de luz não interferem entre si ao cruzar.Essas características tornam os fótons adeptos em computação paralela, encaixando bem com redes neurais artificiais, onde a maior parte do processo de computação envolve "multiplicação de matriz".
No geral, os chips fotônicos apresentam alta velocidade de computação, baixo consumo de energia e baixa latência e são menos suscetíveis a alterações de temperatura, campos eletromagnéticos e ruído.
Vantagem 2: menores requisitos de fabricação
Ao contrário dos chips de circuito integrados, os chips fotônicos têm requisitos de fabricação relativamente mais baixos.As mais altas barreiras técnicas estão no design e na fabricação epitaxial.A rota tecnológica de luz tem vantagens como alta velocidade, baixo consumo de energia e anti-cruzal, permitindo que ele substitua muitas funções de eletrônicos.
Sui Jun, Presidente da Xintong Microelectronics Technology (Pequim) Co., Ltd., uma vez declarada: "CHIPS fotônicos não precisam usar máquinas de litografia extremamente sofisticadas como as máquinas de litografia extrema (EUV) necessárias para chips eletrônicos. Nós podemosProduza -os usando materiais e equipamentos domésticos relativamente maduros ".
Em relação ao fato de os chips fotônicos substituirão os chips eletrônicos, é importante entender os gargalos atuais voltados para chips eletrônicos.
O primeiro desafio para chips eletrônicos é a limitação da lei de Moore.Nos últimos quase 50 anos, a densidade dos transistores poderia dobrar a cada 18 a 20 meses, mas do ponto de vista físico, o tamanho de um átomo é próximo de 0,3 nanômetros.Quando o processo de semicondutores atinge 3 nanômetros, é muito próximo do limite físico, tornando quase impossível continuar dobrando a cada 18 a 20 meses.