纳米光子学在计算中的作用

随着计算需求超越传统电子系统的能力，纳米光子学已成为推进计算架构的有前途的替代方案。通过利用光子而非电子，纳米光子系统为下一代应用提供了更高的处理速度、更低的功耗和更好的可扩展性。

纳米光子学是一个跨学科领域，研究纳米尺度下的光与物质相互作用，涉及小于100纳米的结构。在这个尺度上，光与物质的相互作用方式独特，产生诸如等离子体和光子晶体等光学现象，这些现象受量子力学支配。这些相互作用促进了精确的光操控，推动了节能计算、传感和光开关技术的创新。

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将纳米光子技术集成到计算系统中代表了计算能力的重大进步。纳米光子系统利用光子而非电子进行数据传输和处理，相比传统电子架构实现了更优越的性能指标。

各种研究表明，纳米光子互连可以实现超过每秒100吉比特的数据传输速率，同时将每比特的能耗保持在50飞焦以下，这标志着对传统电子系统的显著改进。

其应用涵盖多个领域，特别是在需要强大处理能力的人工智能和机器学习等领域。该技术在纳米尺度上操控光的能力使得计算系统具有更高的速度、更低的延迟和优化的能效。

这些特性使纳米光子学成为未来计算进步的关键驱动力，解决了功耗挑战，同时满足了现代计算应用日益增长的需求。

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混合光电子处理器芯片的横截面图

高性能计算中的早期应用

纳米光子学在高性能计算中崭露头角，特别是在数据中心和超级计算设施中。最初的部署集中在用光通信通道取代传统的铜互连，从而减少了计算单元之间的延迟并提高了带宽。

从电子互连到光互连的过渡经历了几个阶段。早期系统采用混合方法，结合电子和光学组件，以保持与现有基础设施的兼容性，同时引入光通信的优势。

超级计算设施成为纳米光子技术的主要受益者。光互连在超级计算机架构中的集成支持了更紧凑和高效系统的开发。

最近的研究表明，系统性能有显著提升，一些设施的节点间通信速度接近每秒400吉比特。

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一种带有硅光子元件的多核芯片，可在内核之间引导数据流量。

开创性技术发展

1.IBM的硅纳米光子学突破

IBM凭借其集成光子电路成为纳米光子计算的先驱，该电路通过电流控制光信号。随后取得了关键进展，包括紧凑型光缓冲器（2006年）、低功耗硅光调制器（2007年）、宽带光开关（2008年），以及2010年成功将光学和电气组件集成在硅芯片上，实现了基于光的通信。

2012年12月，该公司通过使用标准90纳米半导体技术将光学和电气组件集成在单个硅芯片上，取得了重大里程碑。

这一创新使得超级计算机、数据中心和计算机芯片之间的高速光数据传输成为可能，使用了光探测器、超紧凑波分复用器、CMOS电路和调制器等先进组件。

该技术通过利用标准CMOS代工厂，消除了组装多个组件或重新装备工厂的需求。此外，芯片上的波分复用（WDM）设备支持在单根光纤内并行光数据传输，显著降低了互连成本。

2.新型纳米光子模拟处理器

传统计算架构在解决复杂任务时面临能效和速度的挑战。然而，最近发表在《自然通讯物理学》上的一项研究开发了一种纳米光子模拟处理器，使用近零介电常数（ENZ）材料和波长拉伸解决了偏微分方程（PDEs），准确率超过90%。

该处理器通过载流子注入可编程，在光通信波段内运行，并以光速处理输入。这种超电路方法实现了高速、低能耗、芯片级模拟计算，克服了传统电子架构的局限性，为超快计算提供了可重构平台。

3.MIT的可编程纳米光子处理器

MIT的可编程纳米光子处理器代表了光学计算的重大进步。该系统利用马赫-曾德尔干涉仪阵列进行光学矩阵运算，允许快速处理神经网络计算。

研究人员证明，这些处理器可以以每秒超过100万亿次操作的速度执行矩阵乘法，使其特别适合深度学习应用。

推动纳米光子计算的材料创新

诸如硫化镉纳米线和超材料等先进材料提高了效率、处理速度和能量耗散，允许将光子组件与半导体技术集成，实现可扩展的芯片级处理器。

这些进展支持了高效紧凑的纳米光子设备的开发，能够以高速执行复杂的计算任务，同时保持低能耗。

功能性纳米线

在《科学进展》上发表的一项研究中，研究人员开发了一种使用相变材料Ge2Sb2Te5（GST）和硅的混合活性电介质纳米线的光子计算处理器。

当被光脉冲照射时，这些纳米线表现出从电阻态到导电态的可逆相变，光的偏振调节材料的吸收。

这种方法促进了跨多个纳米线的并行计算，利用光的速度和大带宽增加了信息存储和处理密度，超越了传统电子系统的局限性。

铌酸锂

铌酸锂已成为纳米光子波导技术中的关键材料，由于其独特的光学和电学特性，实现了先进的信号处理。

最近，加州理工学院的研究人员利用这种材料创建了超快系统，实现了每次激活16飞焦和75飞秒的激活时间，标志着计算效率相对于当前电子系统的显著提升。

这些能力为以前所未有的速度和能效运行的光子集成电路开辟了机会，具有在量子信息处理、精密传感和先进计算平台中的潜在应用。

消费电子和人工智能集成

1.智能手机技术进步

纳米光子学的影响延伸到消费电子领域，推动了紧凑、高性能成像系统和节能显示技术的进步。

华盛顿大学的研究人员开发了一种使用混合光学系统的纳米光子相机，该系统将传统镜头与称为“纳米柱”的纳米结构相结合，促进了亚波长光操控，实现专业级成像。这些系统利用人工神经网络消除了笨重的相机突起，同时增强了深度传感和低光性能。

在显示器方面，Nanosys和Anders Electronics等公司为OLED屏幕引入了先进的纳米光子材料，提供了更丰富的色彩、更深的黑色和更高的亮度，同时减少了电池消耗，为智能手机和可穿戴设备提供了显著改进。

2.人工智能驱动应用

当前的人工智能时代需要前所未有的计算速度和能效，以处理复杂的算法和庞大的数据处理需求。纳米光子技术通过超快数据处理和节能操作提供了变革性解决方案。

俄勒冈州立大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员开发了具有固有光学双稳态的发光纳米晶体，允许在光态和暗态之间快速切换。这些纳米晶体提供了低功耗切换机制，通过减少能耗同时提高处理速度，解决了人工智能硬件中的关键能源挑战。

这一突破有可能增强机器学习处理器、光电系统和先进计算平台，实现更高效和强大的人工智能技术。

3.节能计算

纳米光子计算技术与全球推动可持续和节能解决方案的趋势一致。这些系统使用光进行数据传输和处理，最大限度地减少了传统电子电路中固有的电阻损耗，从而呈现了一种更可持续的计算范式。

加州大学戴维斯分校的研究人员证明，全光学纳米光子计算平台将功耗降低了约1000倍，同时提高了计算速度。这种方法解决了电子电路中的阻抗问题，允许开发全光学输入和输出系统，重塑计算能效策略。

4.量子计算前景

纳米光子学与量子计算的集成可能代表了计算技术中最激动人心的前沿。

Quandela和QuiX等公司处于这一创新的前沿。Quandela正在开发即插即用的量子点单光子发射器，QuiX正在使用氮化硅（SiN）波导平台创建可重构光子处理器。这些进展在量子信息处理、量子化学和机器学习等领域具有重要潜力。

然而，扩展这些系统在保持量子相干性和最小化光电路损耗方面面临挑战，促使研究更高效的单光子源和增强的波导技术。

纳米光子学通过纳米尺度上的光操控正在改变计算技术，克服了传统限制，实现了前所未有的速度、能效和跨多种应用的先进能力。

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