光子芯片比硅芯片更好吗

几十年来，硅芯片一直为现代电子产品提供动力，从计算机和智能手机到工业计算和人工智能。然而，随着计算需求的不断增长，硅基芯片的局限性也变得越来越明显。

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处理速度、功率效率和可扩展性都已达到物理和技术的极限。研究人员目前正在探索光子芯片，它使用光而不是电信号来处理信息。

关键问题是光子芯片是否可以取代硅芯片，或者它们是否会作为未来计算系统的补充技术。

光子芯片的工作原理

传统硅芯片依靠电信号传输数据。电子通过电路移动，实现信息处理和存储。相比之下，光子芯片使用光子（光粒子）来传输数据，从而显著提高速度和效率。

光子集成电路(PIC) 由波导、调制器和光电探测器等光学元件组成，它们控制和引导光而不是电流。这种方法可以加快数据传输速度，并减少电阻和发热造成的能量损失。

光子芯片已经应用于高速光通信、人工智能处理和量子计算，这些领域中的快速数据传输至关重要。它们在生物传感和医疗技术中也变得越来越重要，可以改善实时监测、医学成像和诊​​断。

光子芯片与硅芯片的比较

速度

光子芯片以光速处理信息，比传统硅芯片快 10 到 100 倍。电子的移动速度比光子慢得多，这限制了传统微处理器的速度。

这一优势的一个例子是 Feng等人开发的铌酸锂 (LN) 光子芯片，该芯片展示了高速处理和低功耗。该芯片在 4 英寸 LN 晶圆上制造，处理速度达到每秒 256 G 样本 (GSa/s)。

研究人员集成了高速调制组件，使得该芯片能够在超过 67 GHz 的带宽下以 98% 的准确度执行一阶和二阶时间积分和微分计算。

这种高保真度和计算效率在图像分割应用中得到了测试，其中该芯片用于勾勒癌细胞边界。它处理图像的速度比传统微处理器快 50 到 100 倍，同时功耗更低。

能源效率

硅芯片在运行时会产生热量，因此需要消耗额外电力的冷却系统。在高性能计算、数据中心和 AI 处理领域，管理热量输出是一项日益严峻的挑战。

光子芯片不依赖电阻，因此可以降低能耗。它们还包含热加热器，可在仅使用几毫瓦功率的情况下优化其性能。

俄勒冈州立大学的研究人员与英特尔和美国宇航局合作，开发了片上波分复用 (WDM) 来调节光子芯片的温度。他们的原型由四个可调硅微环谐振器 (Si-MRR) 组成，可使用栅极电压进行连续调谐。

这种方法能够实现精确的温度调节，而无需消耗额外的电力，从而节省大量电力，并将光子芯片的温度保持在安全范围内。

可扩展性和未来增长

硅基微处理器在尺寸和性能改进方面已接近其物理极限。纳米技术和增材制造的进步有助于扩展其用途，但硅芯片的突破越来越难实现。

然而，光子芯片还有进一步发展和小型化的空间。研究人员正在集成量子光子元件并改进制造技术以增强其功能。

3D 打印和光刻技术可以大规模生产紧凑型光子芯片，避免了传统硅芯片所需的制造单个组件的昂贵且耗时的过程。

量子光子芯片为安全通信和高速计算提供了新的可能性，研究人员正在积极致力于提高其稳定性和效率。

与现有技术的兼容性

几乎所有现代电子产品都使用硅芯片，并且可以轻松集成到新系统中。然而，光子芯片需要专门的基础设施，包括光调制器、波导和光学稳定设备。

这些额外的组件增加了系统集成的复杂性和成本，使得从硅到基于光子的计算的完全过渡变得困难。

光子芯片是未来吗？硅光子学的崛起

尽管光子芯片具有诸多优势，但它们不太可能在不久的将来完全取代硅芯片。

制造光子芯片非常复杂且成本高昂，需要精密的材料和制造技术。鉴于硅芯片仍然更便宜且更容易生产，许多专家质疑公司是否会转向完全基于光子的基础设施。

为了应对这些挑战，研究人员开发了硅光子学，这是一种将光子元件集成到传统硅芯片中的混合方法。它结合了硅的制造优势和光子的速度和效率。

光通信和人工智能计算的进步使得硅光子学成为提高计算性能的首选解决方案，而无需完全取代现有的半导体技术。

硅光子学已实现大规模集成，研究人员已成功将 10,000 多个元件集成到单个芯片上。现有的 CMOS（互补金属氧化物半导体）制造工艺可用于批量生产这些混合芯片，无需采用全新的生产技术。

尽管光子芯片不断改进，但硅光子仍然是更实用且经济可行的解决方案。石墨烯和其他二维物质等新材料的开发提高了光子芯片的效率，但广泛应用仍需很长一段时间。

光子芯片要想成为主流，就需要在制造、降低成本和系统集成方面取得进一步进展。在此之前，硅仍然是现代计算的基础，光子技术将增强硅，而不是取代硅。

参考文献和进一步阅读

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