无需光刻可重构集成光子处理器

光子芯片彻底改变了数据密集型技术。这些激光驱动的设备可以单独或与传统电子电路协同工作，以光速发送和处理信息，这使它们成为人工智能数据密集型应用的有前途的解决方案。

除了无与伦比的速度外，光子电路使用的能量比电子电路少得多。电子在硬件中移动相对缓慢，与其他粒子碰撞并产生热量，而光子在流动时不会损失能量，根本不产生热量。摆脱了电子产品固有的能量损失的负担，集成光子学有望在可持续计算中发挥主导作用。

光子学和电子学利用不同的科学领域并使用不同的体系结构。然而，两者都依靠光刻来定义它们的电路元件并按顺序连接它们。虽然光子芯片不使用晶体管来填充电子芯片不断缩小和分层的凹槽，但它们复杂的光刻图案引导激光束通过相干电路形成可以执行计算算法的光子网络。

近期，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员首次创造了一种光子器件，无需光刻即可提供可编程的片上信息处理，为AI应用提供通过卓越的准确性和灵活性增强的光子学速度。

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实现无与伦比的光控制，该设备由空间分布的光学增益和损耗组成。激光直接将光投射到半导体晶圆上，无需定义光刻路径。

材料科学与工程系和电气系统与工程系教授Liang Feng，以及博士生Tianwei Wu（MSE）和博士后高子和和Marco Menarini（ESE）在最近发表在《自然光子学》上的一项研究中介绍了这种微芯片。

基于硅的电子系统已经改变了计算领域。但它们有明显的局限性：它们处理信号的速度很慢，它们以串行方式而不是并行方式处理数据，并且只能在一定程度上小型化。光子学是最有前途的替代方案之一，因为它可以克服所有这些缺点。

研究人员说：“但用于机器学习应用的光子芯片面临着复杂制造工艺的障碍，在这种工艺中，光刻图案化是固定的，可编程性有限，容易出错或损坏，而且成本高昂。通过消除对光刻的需求，我们正在创造一种新的范式。我们的芯片克服了这些障碍，并在消除了预定义功能的各种限制的情况下，提供了更高的精度和最终的可重新配置性。”

如果没有光刻，这些芯片将成为适应性强的数据处理引擎。由于图案不是预先定义和蚀刻的，因此该设备本质上没有缺陷。也许更令人印象深刻的是，光刻技术的缺乏使微芯片具有令人印象深刻的可重新编程性，能够定制其激光铸造图案以获得最佳性能，无论任务简单（输入少，数据集小）还是复杂（输入多，数据集大）。

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换言之，该设备的复杂性或极简主义是一种有生命的东西，其适应性是蚀刻微芯片所无法做到的。

研究人员说：“这里的东西非常简单。我们可以非常快速地构建和使用它。并且可以很容易地将它与经典电子产品集成。我们可以对它进行重新编程，随时改变激光模式，以实现实时可重构计算，用于人工智能网络的片上训练。”

这个器件是一块不起眼的半导体板，再简单不过了。正是对这种平板材料特性的操纵，才是研究团队突破性地将激光投影到动态可编程图案中，以重新配置光子信息处理器的计算功能的关键。

这种最终的可重构性对于实时机器学习和人工智能至关重要。

Menarini说：“我们是如何控制光的。传统的光子芯片是基于无源材料的技术，这意味着它的材料会散射光，来回反弹。我们的材料是有源的。泵浦光束会改变材料，使信号束到达时，它可以释放能量并增加信号的振幅。”

研究人员补充道：“这种活跃的性质是这门科学的关键，也是实现我们的无光刻技术所需的解决方案。我们可以用它来重新路由光信号，并对芯片上的光信息处理进行编程。”

Liang Feng教授将这项技术比作一种艺术工具，一支可以在空白页上画画的笔。“我们所取得的成就是完全一样的：泵浦光是我们在一块未图案化的半导体晶圆（空白页）上绘制光子计算网络（图片）的笔。”

但与不可磨灭的墨水线不同，这些光束可以被绘制和重新绘制，它们的图案追踪着通往未来的无数路径。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01205-0

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