实际上, 2015年, 美国三所大学的研究人员就开发出一款光子芯片, 它可以用光来传输数据, 速度比过去的芯片大幅提升, 能耗也大大减少. 研究者宣称这是第一款成熟的, 用光传输数据的处理器. 芯片每平方毫米处理数据的速度达到300Gbps, 比现有的标准处理器快10倍甚至50倍. 研究人员用7000万个晶体管和850个光子元件 (用来发送和接收光) 组成2个处理器内核, 整个芯片只有3×6毫米大.
在20世纪40年代时, 电脑和房间一样大, 今天的电脑与那时的电脑已经有了很大的不同, 但它们传输数据的方式是一样的, 都是在金属线中传递电子信号. 英特尔和IBM等芯片企业都已经在研究硅光子(Silicon Photonics), 但至今无法真正用在商业上. 美国科罗拉多大学Berkeley校区, 麻省理工学院, 科罗拉多大学Boulder校区的研究人员开发出第一款光子芯片是重大的突破, 他们预测最早到2017年就可以测试商用版本的光处理器.
在今天的电脑和智能手机中, 电信号在金属线中传输, 它将处理器, 内存, 网络, 存储设备, USB接口等连接起来. 在国家与国家之间则用光纤连接. 光纤可以传输海量数据, 但它的造价太贵.
美国大学的研究人员希望能改变这一切, 他们将电子组件直接安装在芯片中, 并用来传送和接受光信号. 芯片制造设备和硅元件都可以用这种方法生产, 如此一来, 光芯片就可以轻易普及到计算基础设施之中.
研究人员已经在室验室制作出原型产品, 如果产品可以走向市场, 消费者将大大受益. 数据中心内安装成千上万的服务器, 硅光子技术可以提升运算速度; 在个人电脑和智能手机上, 硅光子可以打破性能瓶颈, 同时又不牺牲电池续航时间. 今天的计算产业普遍面临一个问题: 无法让芯片运算得更快, 硅光子却没有这样的困扰, 它不需要芯片运算得更快. 相反, 研究人员会让硅芯片一直输送数据且不会闲置, 从而有效提升整体性能.
负责芯片开发的副教授Vladimir Stojanovic说, 开发出第一款能在外部世界通信的光芯片是重大突破, 至于商业化, 最大的挑战在于找到廉价的方法封装芯片. 他认为, 出于成本考虑, 光芯片技术最先会用在数据中心中, 然后才能进入到小设备. Stojanovic还说: '我们预计封装芯片最先会进入数据中心, 然后它会变得足够便宜, 最终在手机和PC中普及. '
研究人员的构想并非是纯粹的创意, 已经有两家创业公司参与到光芯片的商业化运动之中. 一家是Ayar Labs, 它希望将光子互连技术商品化, 还有一家是SiFive, 它们希望在免费的RISC-V芯片设计方案上建立新业务.
在不久的将来, Stojanovic预计光子将可以连接电脑内的独立芯片, 将一颗芯片与另一颗芯片相连. 除此之外, 硅光子技术还可以改进激光雷达的性能, 无人驾驶汽车的激光传感器, 脑显像和环境传感器的性能都会大大提升.
硅光子有望重新改写历史, 彻底改变电脑组合的方式. 电信号传输受到了线缆长度的制约, 例如, 当标准USB连接的传输速度提高10倍时, 最大线缆长度从16英尺降到了10英气. 光连接却不会出现这样的问题, 它的速度更快, 信号不会衰减, 美国大学展示的原型芯片是用10米的光连接的, 它可以轻易扩展到千米.
有了硅光子芯片, 数据中心的电脑不必浪费时间等待另一台电脑的响应. Stojanovic说: '我们的光解决方案可以让处理器更快接入网络. '
电信号通过金属线传输, 光连接只需要小小的能量就行了, 芯片自己就能供应能量, 这样可以节省电的成本, 也不会存在电子元件过热的问题.
原型芯片是用不常见的材料制作的, 它将硅和锗结合, 制造过程很困难, 成本也很高. 但最近一段时间, 研究人员取得了进步, 他们改良了硅光子技术, 在芯片中使用了更多的硅材料.