陳根：激光脈沖，讓計算速度升級

文/陳根

在數(shù)據(jù)增長、算法精進(jìn)的背景下，算力成為了數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代的“新能源”。算力時代正在加速到來。

小到智能電腦、智能手機、平板等電子產(chǎn)品，大到天氣預(yù)報、邊界出行、醫(yī)療保障、清潔能源等民用領(lǐng)域拓展應(yīng)用，都離不開計算的賦能支撐。計算已經(jīng)實現(xiàn)從“舊”到“新”的徹底蛻變，成為人類能力的延伸，賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

然而，一方面，隨著全球化以及科技的高速發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量在急劇增加——IDC早前發(fā)布的《數(shù)據(jù)時代2025》報告指出，全球每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將從2018年的33ZB增長到2025年的175ZB，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模型和算法也在不斷增加，帶來的結(jié)果就是對算力和功耗的要求不斷提高。

另一方面，半導(dǎo)體光刻工藝水平的發(fā)展是以芯片為核心的電子計算機的基石，目前半導(dǎo)體光刻的制造工藝幾乎是摩爾定律的物理極限，隨著制造工藝的越來越小，芯片內(nèi)晶體管單元已經(jīng)接近分子尺度，半導(dǎo)體制作工藝的“瓶頸效應(yīng)”越來越明顯。

因此，如何提高運算速度同時降低運算功耗是大數(shù)據(jù)時代面臨的緊要問題。

面向未來的計算系統(tǒng)，光作為宇宙里速度最快的事物——它在空氣中以 30 萬公里/秒的速度傳播，似乎具有天然的優(yōu)勢。光子具有光速傳播、抗電磁干擾、任意疊加等特性，光學(xué)計算具有天然的并行計算特性，因而運算速度極快，且十分適合做并行運算。

而激光作為原子受激輻射的光更是備受科學(xué)家的關(guān)注。近日，來自弗里德里希-亞歷山大-紐倫堡大學(xué)（FAU）激光物理學(xué)教席的研究人員和紐約羅切斯特大學(xué)的一個團(tuán)隊宣布，他們已經(jīng)證明了未來如何利用激光脈沖將基本計算操作的速度提高到一百萬倍。

具體來看，電子學(xué)被設(shè)計用來傳輸和處理邏輯信息形式的信號和數(shù)據(jù)，其使用二進(jìn)制邏輯。另外，這些信號也可以采取電流脈沖的形式。而激光物理學(xué)教席的研究人員幾年來一直在研究如何將光波轉(zhuǎn)換為電流脈沖。

研究人員在他們的實驗中使用超短激光脈沖照射一個石墨烯和金電極的結(jié)構(gòu)。激光脈沖在石墨烯中誘發(fā)電子波，這些電子波向金電極移動，在那里它們被測量為電流脈沖并可被作為信息處理。

根據(jù)激光脈沖擊中表面的位置，電子波的傳播方式不同。這就產(chǎn)生了兩種類型的電流脈沖，它們分別被稱為實電荷和虛電荷。

此次，FAU的激光物理學(xué)家就通過他們的實驗首次證明了一種新的方法可以用來操作邏輯門——計算機處理器中的一個關(guān)鍵元素。

邏輯門規(guī)定了如何處理傳入的二進(jìn)制信息。該門需要兩個輸入信號，這里是來自實電荷和虛電荷的電子波，由兩個同步的激光脈沖激發(fā)。根據(jù)這兩個波的方向和強度，產(chǎn)生的電流脈沖要么被聚集要么被抹去。再一次，物理學(xué)家測量的電信號可以被解釋為二進(jìn)制邏輯，即0或1。

研究人員表示，通過基礎(chǔ)理論及其與實驗的聯(lián)系，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了真實和虛電荷的作用，這為創(chuàng)建超快邏輯門開辟了道路。當(dāng)然，雖然可能還需要很長的時間才能在計算機芯片上使用這項技術(shù)。但至少這已經(jīng)給出了一個信號，光波電子學(xué)是一項可行的技術(shù)。

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