隨著人工智能、雲計算及高效能數據中心不斷推動全球對更快計算的需求，研究人員越來越多地尋求超越傳統電子技術的解決方案。麻省理工學院（MIT）的一組研究人員認為，答案或許在於更高效地整合電子晶片與光子晶片。這一挑戰長期以來阻礙了下一代光學計算的普及。通過其 FUTUR-IC 研究計劃，MIT 揭示了一系列進展，這些進展可能幫助未來的微晶片在每秒傳輸超過一佩比特數據的同時，顯著降低能耗。
研究重點在於新型設備，這些設備簡化了使用電力處理信息的電子設備與利用光傳輸信息的光學設備的整合。
MIT 的 FUTUR-IC 計劃推動光子學與電子技術的整合
根據研究人員的説法，這些技術也可以使用現有的半導體生產設備進行製造，使其更具大規模應用的實用性。解決硅光子學的一大瓶頸，多年來，工程師們將共同封裝光學視為改善伺服器和高效能計算系統內部數據傳輸的最有前景方式之一。光學通信的能耗遠低於電氣互連，隨著數據中心為人工智能工作負載和雲服務的擴展而變得越來越具吸引力。然而，將光子晶片與傳統電子處理器整合仍然技術上困難且成本高昂。
MIT 的 FUTUR-IC 計劃旨在通過開發簡化光學封裝的組件來解決這一挑戰。
最新的進展包括兩種新型光學耦合器，即漸逝耦合器和梯度折射率（GRIN）耦合器，旨在更高效地在光子設備之間轉移光。團隊還突出了由胡覺軍教授領導的研究人員之前開發的第三種耦合器。這些設備共同代表了研究人員所描述的“焊料凸點”的光學等效物，這些微小的金屬連接在當今的電子晶片之間進行連接。這些光學連接不再傳遞電信號，而是將光在光子元件之間轉移，潛在地使未來的電子-光子封裝更易於組裝和製造。
光子學的重要性在於，與面對隨著數據傳輸速率提升而增加的阻力和能量損耗的電信號不同，光學通信能以更低的能耗傳輸巨量的信息。根據 FUTUR-IC 主任 Anu Agarwal 的説法，該計劃的長期目標是將數據傳輸速率從目前的數百太比特每秒提升至超過一佩比特每秒。研究小組認為，將電子主要用於計算，而依賴光子進行通信，將大幅降低未來計算基礎設施的能源需求。隨著人工智能模型日益龐大以及雲服務不斷擴展，數據中心預計將消耗越來越多的全球電力。
光子集成技術為未來計算基礎設施提供新解決方案
光子集成被廣泛視為半導體行業提升帶寬而不成比例增加功耗的最有前景的途徑之一。為不同應用開發不同的耦合器，MIT 研究人員並未開發單一的通用解決方案，而是針對不同需求創建了多種優化的光學耦合方法。GRIN 耦合器提供更廣泛的波長兼容性，使其能在更寬的光學信號範圍內運行。而漸逝耦合器則更易於製作，並能更密集地打包，適合需要在有限空間內進行大量光學連接的應用。根據研究人員的説法，未來的電子-光子系統可能需要多種耦合技術，每種技術在製造複雜性、光學效率和集成密度之間進行不同的平衡。
FUTUR-IC 計劃的範疇不僅限於半導體硬件。該計劃還推出了 Earthster，一個建模平台，幫助企業評估半導體製造的環境影響，通過識別產品中的能源使用、材料消耗和碳排放熱點。此外，該倡議還通過在線課程、訓練營和專注於半導體資源效率的教育資源開展勞動力培訓。儘管這些技術的商業部署仍需時日，但這項研究解決了行業中最持久的挑戰之一：高效地將光子學與傳統電子設備整合。