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光子計算發展的新契機

光子計算理論上速度快、功耗低,是現在計算面臨各種物理壁障的可能出路之一。圖為鴻海科技日所展出的矽光子晶片。

如果光子可以如電子般的攜帶訊息,自然它可以同時應用於通訊和計算。 
 
光子最早應用於遠距通訊,譬如過去網際網路應用中以光纖替代電話線,自然是以光子替代電子來攜帶訊息。 
 
最近光子通訊再被提上檯面是因為AI伺服器。未來大部分通訊會發生在晶片與晶片之間、伺服器與伺服器之間,巨量的訊息傳輸是目前訊息的處理、傳輸中最損耗能量的部分。 
 
但是現在伺服器晶片的設計於傳統PPA(Performance、Power、Area)的考量中傾向對於效能的追求,低功耗與散熱的需求在設計階段就顧不上了,只好在製程與先進封裝中講究。這是矽光子被排到半導體時程上的最大動力。 
 
光子能用於通訊,能否用於計算呢?在1960、70年代發明雷射、類比訊號處理時,光子計算(photonic computing)的概念就啟動了,80年代開始研發光子元件。90年代要走向應用、量產時,為時已晚。90年代初的先進製程大慨在0.5~0.8微米之間,但是光子元件的尺度大多在微米以上,在晶圓上難以製作出功能可以與電子元件匹敵的產品。之後,就愈差愈遠了。 
 
光子計算再度被認真考慮也是因為AI的興起。AI的計算,不管是卷積神經網路(Convolutional Neural Network;CNN)或者是在大型語言模型中使用的變換器(transformer)模型,其最底層的計算都是矩陣乘法的平行運算。資料量大,但是演算法相對單一,這是光子計算的良好應用場域。 
 
2016年沈亦晨(Yichen Shen)及其研究夥伴提出用光子計算來處理深度學習的想法。 
 
光子元件種類繁多,在此應用被選中當成類似半導體線路基礎元件電晶體的是馬赫-曾德干涉儀(Mach-Zender Interferometer;MZI)。 

MZI是矽光子的基礎元件,常用來調制(modulate)光的相位(phase)。當光進入MZI後,首先經過分光器(splitter),光被分離成2束而在個別的光路(optical path)上前進。在其中一條光路上光不再受任何作用;另一條光路上,有一個可控的電壓可以施加在光路的構成物質,改變物質的折射率(refractive index),進而改變在此光路上光的相位。最後2條光路上的光再合併(recombine),二者會相互干涉。如果其中有一光路受到相調控,2束光會形成破壞性干涉(destructive interference),而在2個光路出口所測得的光強度(intensity)會有所不同。這就是MZI可以如電晶體用於計算的原理。 
 
MZI就是光積體電路(Photonics Integrated Circuit;PIC)的基礎單元,利用MZI可以組成光積體電路來計算矩陣相乘,這就是光子計算於AI的應用場域。 
 
光子計算可以利用薛汀格微梳(Schrodinger microcomb)大幅提高計算效能。薛汀格微梳是用連續波(continuous wave)雷射光源分離為在頻率空間等間距的多重光源,可以用於平行計算。一個微梳可以產生數十乃至於數百個頻率的光線,用於平行計算。在某種程度上,薛汀格微梳大幅的彌補一般光元件尺度較大的缺陷。 
 
2016年光子計算方案提出時,矽光子的技術離成熟還很遠。在過去「異質整合藍圖」(Heterogeneous Integration Roadmap;HIR)進程中,2020年矽光子才會上場,實際上矽光子的量產時程遠遲於此。 
 
最近提議的用鉭酸鋰(LiTaO3)來做矽光子元件,進一步提高用MZI來做光子計算的可行性。 
 
鉭酸鋰在5G世代已開始使用,是與半導體製程相容的材料。它的製作成本低,且有幾個物理特性適合MZI的製作。1. 低雙折射性(low birefringence),線路設計簡單,可以提高光元件密度;2. 低光學損耗(low photon loss),傳導信號容易維持;3. 可以製作高效能MZI。用它做的MZI可達40 GHz的電光頻寬(electro-optical bandwidth),並且擁有1.9V•cm的半波電壓長度積(half wavelength voltage length product,這數字代表使光相位反轉180°所需的電壓乘以長度,愈小愈容易調製相位)。 
 
光子計算理論上速度快、功耗低,是現在計算面臨各種物理壁障的可能出路之一。過去因為矽光子的技術未臻成熟,光元件的尺寸遠大於微電子元件的尺寸,所以光子計算一直未能浮上檯面。現在藉著AI伺服器的興起驅動矽光子技術的發展,獲得額外的產業推動助力,搭乘順風車。應用上選擇與AI高度相關的ASIC類型的計算,再看能否有個起始的立足點。 

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。