研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了微型低能耗設(shè)備 可快速重新路由計(jì)算機(jī)芯片中的光

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)的研究人員及其同事開發(fā)了一種光開關(guān)，該光開關(guān)可以將光從一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片傳輸?shù)搅硪粋€(gè)計(jì)算機(jī)芯片，速度僅為20億分之一秒，比其他同類設(shè)備要快。緊湊型開關(guān)是第一個(gè)在足夠低的電壓下工作以集成到低成本硅芯片上并以非常低的信號(hào)損耗重新定向光的開關(guān)。

該交換機(jī)創(chuàng)紀(jì)錄的性能是構(gòu)建使用光而不是電來處理信息的計(jì)算機(jī)的重要新一步。與電子通信相比，依靠光子-光子在計(jì)算機(jī)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)具有多個(gè)優(yōu)勢。光子的傳播比電子快，并且不會(huì)通過加熱計(jì)算機(jī)組件而浪費(fèi)能量。管理廢熱是提高計(jì)算機(jī)性能的主要障礙。數(shù)十年來，光信號(hào)已使用光纖通過遠(yuǎn)距離傳輸信息，但是光纖占用的空間太大，無法用于在計(jì)算機(jī)芯片上傳輸數(shù)據(jù)。

新的開關(guān)結(jié)合了納米級(jí)的金和硅光學(xué)，電氣和機(jī)械組件，所有組件都密集地包裝在一起，以將光引導(dǎo)進(jìn)出微型跑道，并改變其速度并改變其行進(jìn)方向。(1納米等于一米的十億分之一，即一頭人類頭發(fā)的寬度的十分之一。)NIST領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)今天在《科學(xué)》網(wǎng)上描述了該設(shè)備。

NIST，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和馬里蘭大學(xué)的研究合著者克里斯蒂安·哈夫納指出，該設(shè)備具有多種應(yīng)用。在無人駕駛汽車中，該開關(guān)可以快速重定向單個(gè)光束，該光束必須連續(xù)掃描道路的所有部分以測量與其他汽車和行人的距離。該設(shè)備還可以使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中使用更強(qiáng)大的基于光的電路代替基于電的電路更加容易。這些是人工智能系統(tǒng)，可以模擬人腦中的神經(jīng)元如何做出有關(guān)模式識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)管理等復(fù)雜任務(wù)的決策。

新技術(shù)還使用很少的能量來重定向光信號(hào)。此功能可能有助于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的夢想。量子計(jì)算機(jī)處理存儲(chǔ)在專門準(zhǔn)備的亞原子對(duì)之間的微妙關(guān)系中的數(shù)據(jù)。但是，這些關(guān)系非常脆弱，要求計(jì)算機(jī)在超低溫和低功率下運(yùn)行，以使對(duì)的粒子對(duì)產(chǎn)生的干擾盡可能少。與以前的光開關(guān)不同，由于新的光開關(guān)所需的能量很少，因此它可以成為量子計(jì)算機(jī)不可或缺的一部分。

Haffner和他的同事(包括NIST的Vladimir Aksyuk和Henri Lezec)說，他們的發(fā)現(xiàn)可能令科學(xué)界的許多人感到意外，因?yàn)榻Y(jié)果與長期以來的信念背道而馳。一些研究人員認(rèn)為光電開關(guān)不切實(shí)際，因?yàn)樗鼈凅w積大，操作速度太慢并且要求電壓過高，計(jì)算機(jī)芯片的組件無法承受。

開關(guān)利用了光的波特性。當(dāng)兩個(gè)相同的光波相遇時(shí)，它們可以重疊，以使一個(gè)波的波峰對(duì)齊或增強(qiáng)另一個(gè)波的波峰，從而形成稱為相長干涉的明亮圖案。兩波也可能完全不同步，因此一個(gè)波谷會(huì)抵消另一個(gè)波的波峰，從而產(chǎn)生暗模式(破壞性干擾)。

在團(tuán)隊(duì)的設(shè)置中，光束被限制在微型高速公路內(nèi)傳播，微型高速公路是一個(gè)稱為波導(dǎo)的管狀通道。該線性高速公路的設(shè)計(jì)使其具有一個(gè)匝道-一些光可以射入到僅幾納米之遙的跑道形空腔中，并蝕刻到硅盤中。如果光的波長恰到好處，它在離開硅腔之前會(huì)在賽道周圍多次鞭打。

開關(guān)還有另一個(gè)關(guān)鍵的組成部分：一層金膜，懸在硅盤上方幾十納米處。在硅跑道上傳播的某些光會(huì)泄漏出去并撞擊膜，從而在膜表面引發(fā)電子群的振蕩。這些振蕩被稱為等離激元，是光波和電子波之間的一種混合：振蕩的電子類似于入射的光波，因?yàn)樗鼈円韵嗤念l率振動(dòng)，但波長卻短得多。較短的波長使研究人員可以在將振蕩轉(zhuǎn)換回光之前，在納米級(jí)距離上操縱等離激元，該距離遠(yuǎn)小于原始光波的長度。反過來，這使得光開關(guān)保持極其緊湊。

通過將硅片和金膜之間的間隙寬度僅改變幾納米，研究人員可以延遲或推進(jìn)混合光波的相位，即該波到達(dá)波峰或波谷的時(shí)間點(diǎn)。研究小組通過靜電彎曲金膜實(shí)現(xiàn)了間隙寬度的微小變化，從而極大地改變了相位。

根據(jù)團(tuán)隊(duì)推進(jìn)或延遲波的相位的多少，當(dāng)波與仍然在管狀高速公路中傳播的光重新組合時(shí)，兩束光會(huì)產(chǎn)生相長干涉或相消干涉(請(qǐng)參見動(dòng)畫)。如果光束匹配以產(chǎn)生相長干涉，則光將沿其原始方向繼續(xù)前進(jìn)，并沿?zé)艄芟蛳聜鞑?。但是，如果光束產(chǎn)生相消干涉，彼此抵消，則該路徑將被阻塞。取而代之的是，光必須沿另一個(gè)方向移動(dòng)，該方向取決于放置在受阻路徑附近的其他波導(dǎo)或路徑的方向。這樣，可以隨意將光切換到數(shù)百個(gè)其他計(jì)算機(jī)芯片中的任何一個(gè)。

科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，等離子系統(tǒng)會(huì)大大衰減光信號(hào)，因?yàn)楣庾訒?huì)穿透金膜的內(nèi)部，而電子將吸收大量的光能。

但是研究人員現(xiàn)在證明了這一假設(shè)是錯(cuò)誤的。該設(shè)備的緊湊性和確保幾乎沒有光子穿透膜的設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的光信號(hào)損失僅為2.5%，而之前的開關(guān)僅為60%。盡管仍是原型，但這使該開關(guān)可用于商業(yè)應(yīng)用。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在通過縮短硅片和金膜之間的距離來使設(shè)備更小。這將進(jìn)一步減少信號(hào)損失，使該技術(shù)對(duì)行業(yè)更具吸引力。