光子计算发展的新契机

如果光子可以如电子般的携带信息，自然它可以同时应用于通讯和计算。 
 
光子最早应用于线上通讯，譬如过去网际网络应用中以光纤替代电话线，自然是以光子替代电子来携带信息。 
 
最近光子通讯再被提上台面是因为AI服务器。未来大部分通讯会发生在芯片与芯片之间、服务器与服务器之间，巨量的信息传输是目前信息的处理、传输中最损耗能量的部分。 
 
但是现在服务器芯片的设计于传统PPA（Performance、Power、Area）的考量中倾向对于效能的追求，低功耗与散热的需求在设计阶段就顾不上了，只好在制程与先进封装中讲究。这是矽光子被排到半导体时程上的最大动力。 
 
光子能用于通讯，能否用于计算呢？在1960、70年代发明雷射、类比信号处理时，光子计算（photonic computing）的概念就启动了，80年代开始研发光子元件。90年代要走向应用、量产时，为时已晚。90年代初的先进制程大慨在0.5~0.8微米之间，但是光子元件的尺度大多在微米以上，在晶圆上难以制作出功能可以与电子元件匹敌的产品。之后，就愈差愈远了。 
 
光子计算再度被认真考虑也是因为AI的兴起。AI的计算，不管是卷积神经网络（Convolutional Neural Network；CNN）或者是在大型语言模型中使用的变换器（transformer）模型，其最底层的计算都是矩阵乘法的平行运算。数据量大，但是演算法相对单一，这是光子计算的良好应用场域。 
 
2016年沈亦晨（Yichen Shen）及其研究夥伴提出用光子计算来处理深度学习的想法。 
 
光子元件种类繁多，在此应用被选中当成类似半导体线路基础元件晶体管的是马赫-曾德干涉仪（Mach-Zender Interferometer；MZI）。 

MZI是矽光子的基础元件，常用来调制（modulate）光的相位（phase）。当光进入MZI后，首先经过分光器（splitter），光被分离成2束而在个别的光路（optical path）上前进。在其中一条光路上光不再受任何作用；另一条光路上，有一个可控的电压可以施加在光路的构成物质，改变物质的折射率（refractive index），进而改变在此光路上光的相位。最后2条光路上的光再合并（recombine），二者会相互干涉。如果其中有一光路受到相调控，2束光会形成破坏性干涉（destructive interference），而在2个光路出口所测得的光强度（intensity）会有所不同。这就是MZI可以如晶体管用于计算的原理。 
 
MZI就是光集成电路（Photonics Integrated Circuit；PIC）的基础单元，利用MZI可以组成光集成电路来计算矩阵相乘，这就是光子计算于AI的应用场域。 
 
光子计算可以利用薛汀格微梳（Schrodinger microcomb）大幅提高计算效能。薛汀格微梳是用连续波（continuous wave）雷射光源分离为在频率空间等间距的多重光源，可以用于平行计算。一个微梳可以产生数十乃至于数百个频率的光线，用于平行计算。在某种程度上，薛汀格微梳大幅的弥补一般光元件尺度较大的缺陷。 
 
2016年光子计算方案提出时，矽光子的技术离成熟还很远。在过去「异质整合蓝图」（Heterogeneous Integration Roadmap；HIR）进程中，2020年矽光子才会上场，实际上矽光子的量产时程远迟于此。 
 
最近提议的用钽酸锂（LiTaO3）来做矽光子元件，进一步提高用MZI来做光子计算的可行性。 
 
钽酸锂在5G时代已开始使用，是与半导体制程兼容的材料。它的制作成本低，且有几个物理特性适合MZI的制作。1. 低双折射性（low birefringence），线路设计简单，可以提高光元件密度；2. 低光学损耗（low photon loss），传导信号容易维持；3. 可以制作高效能MZI。用它做的MZI可达40 GHz的电光带宽（electro-optical bandwidth），并且拥有1.9V•cm的半波电压长度积（half wavelength voltage length product，这数字代表使光相位反转180°所需的电压乘以长度，愈小愈容易调制相位）。 
 
光子计算理论上速度快、功耗低，是现在计算面临各种物理壁障的可能出路之一。过去因为矽光子的技术未臻成熟，光元件的尺寸远大于微电子元件的尺寸，所以光子计算一直未能浮上台面。现在藉着AI服务器的兴起驱动矽光子技术的发展，获得额外的产业推动助力，搭乘顺风车。应用上选择与AI高度相关的ASIC类型的计算，再看能否有个起始的立足点。