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06-17
激光聚焦世界Keren Bergman在IEEE第74届电子与元件技术会议（ECTC）上发表主题演讲，介绍了光子芯片与电子终端和计算集成的不同技术以及与计算系统边缘的内存和其他组件更紧密集成的方法。
我们很高兴与凯伦·伯格曼进行了交谈。
我们知道光学对于通过移动数据进行通信非常有用，但是我们如何将光子学应用于从芯片系统到大型计算机的各种规模的计算系统？而且，将数据移动引入光域进行计算的最佳方法是什么？这些问题只是哥伦比亚大学电气工程教授兼综合科学与工程中心科学主任 Keren Bergman 目前正在光学、光子学和计算交叉领域探索的众多问题中的两个。
将光子学引入计算系统的努力在很大程度上受到机器学习中人工智能 (AI) 应用寒武纪爆发的影响，因为世界各地的大多数数据中心都运行人工智能应用程序。
Keren Bergman 表示：“过去十年我们在光通信领域取得了巨大进步。
以前，我们主要将光通信用于长距离光纤系统。
但最近的进展正在使光学元件集成到芯片上（以硅光子学的形式）。
形式）并将光学接口从电子平面带到光学平面，甚至到芯片。
“而这也带来了一些机会：光接口是否可以连接到计算机芯片和存储芯片，以在这些计算机系统内部实现光通信。
”Keren Bergman 说：“这是一个非常有趣的研究/技术问题，其产生主要是因为计算和光子学领域人工智能的主要驱动力，这是基于在芯片上集成光子而建立的巨大人工智能。
设计工作光子给千万亿次系统（每秒千万亿次计算）甚至亿亿次系统（每秒千万亿次计算）带来的最大好处之一是有可能在系统内传输更多通信带宽。
在电子设备中移动数据如今，这种技术受到限制，因为高带宽通信“损耗很大，并且需要成倍增加的功率来传输越来越多的数据”，Keren Bergman 说，“转向光领域的原因是我们可以以更高的能源效率来实现这一点——传输。
以更少的能量传输长距离数据。
并且在芯片上的每条线路和引脚内，我们可以插入更多的带宽，因为光子本质上是玻色子，并且不会相互干扰。
“密集封装的电子系统经常面临串扰、干扰和其他问题。
但在光域中，数据可以在不同的颜色、波长或通道上进行调制，并且所有数据都在同一电线、光纤或波导内一起传输，而不会相互干扰。
可以为芯片释放更多单位面积/单位长度的带宽。
“光学在这里有两个优势：我们可以实现非常高的带宽密度 - 每毫米几太比特，”Keren Bergman 说。
2 “它还可以将数据传输到数百米或公里之外，而每比特的能量不到皮焦耳。
”那么挑战是什么？这就是将这些光子芯片与电子、计算和内存以及计算系统边缘的其他组件共同封装或共同集成。
解决此问题的一种方法是以尽可能最有效的方式共同设计光学链路和电子器件。
“就光学而言，有很多波长可供选择，”伯格曼说。
“它们是由光梳产生的——一种可以高精度同时产生多种不同颜色的激光。
”这就引出了一个问题：每个波??长通道与接口进行电连接的正确数据调制频率是多少？末端是否与正确的数据频率匹配？ “这些都是重要的设计问题，”伯格曼说。
“其他问题与包装有关。
”光子芯片由硅制成，因此它们看起来像电子芯片。
我们如何将其封装在一起以便与电子设备连接？有多种方法可以提高集成度，例如 3D 集成甚至单片集成（其中光子和电子共存于同一芯片内）。
“解决共同封装的高温问题 研究界和业界正在考虑如何将这些不同的技术（光子学和电子学）结合在同一个异构封装中。
其中两个关键问题与高温有关：我们如何冷却我们如何保持一定的温度以获得最佳性能？“如果光子芯片的温度发生变化，它的折射率就会发生变化，”伯格曼解释道。
温度变化来自周围环境和接口的电气侧。
“在 3D 封装中，电子端产生的高温会影响光子芯片的性能，因此需要了解热环境并进行补偿/设计。
这很关键。
“我们可以通过多种方式实现这一目标，”伯格曼说。
“有一种方法是使用闭环电路，即使温度发生变化也能维持光子芯片的工作点。
另一种方法是设计光子芯片尽可能不受热相变化的影响。
”这些方法本质上是补偿温度变化。
“随着折射率的变化，一种材料的温度将沿一个方向变化，而另一种材料的温度将沿相反方向变化 - 这为我们提供了设计光子芯片的机会。
提供了固有的鲁棒性，”伯格曼补充道。
电子是问题进一步扩大范围，看看当今系统的内部，“我们在 3D 中拥有非常好的电子连接，并且内存和图形处理单元 (GPU) 之间有电子芯片，”伯格曼说。
虽然这种连接在能耗和带宽方面表现良好，但电子设备的问题是，当数据需要在系统内移动时，会消耗大量能源，并且带宽可能会下降多达两个数量级。
像接口一样将光子引入芯片可以使整个系统的通信更加顺畅，完全消除系统中当前存在的两个数量级的锥度。
“它将显着加快应用程序的执行时间以及我们设计系统的方式，”伯格曼说。
“将光子纳入系统不仅仅是一种技术替代，它还使我们能够将人工智能系统的性能提高几个数量级，同时保持能耗恒定。
我们可以弯曲能源消耗曲线。
”我们已经到达了转折点 有趣的是，光子学仍然比当今的电子互连基础设施更昂贵 - 因为制造和整个半导体生态系统比光子学成熟得多。
“公司希望将这些系统商业化并进行部署。
然而，虽然能源和性能很重要，但在实际系统和项目中，成本最终才是最重要的。
因此，我们面临着一个两难的境地：我们能否将光子带入一个完整的制造模型中？实现大规模生产并最终降低成本？”伯格曼乐观地认为我们会实现这一目标，因为计算方面的供应商要么已经开发或正在探索共同封装光学/光子学项目，所以这个目标确实是可以实现的。
“但我们还没有完全做到这一点，”她说。
未来充满希望。
光子学显然将实现超大规模计算和其他计算。
伯格曼说，对于电力版本的连接，扩展意味着“我们基本上需要一座核电站来满足系统的功耗”。
“这就是为什么结束能源消耗曲线并实现未来系统的可扩展性如此重要。
” Bergman 及其同事还致力于在互连之外的通信系统中构建灵活性，以确保交换机也具有波长选择性，使系统能够适应特定应用的通信性质。
“这种灵活、适应性强的互连性是我们正在研究的另一个令人兴奋的领域，它正在增加波长域之外的带宽并探索空间/模态域，因此对于每个波长，您还可以在该颜色内拥有正交独立的空间图案或波长，”伯格曼说。
“当它增加时，它会产生一种波，进一步增加带宽密度。
“延伸阅读 1. A. Rizzo 等人，Nat. Photon., 17, –(Jun.).2. A. Rizzo 等人，IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 29, 1–20 （二月）。
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