无光刻光子芯片为人工智能提供速度和准确性

光子芯片彻底改变了数据密集型技术。这些激光供电设备可以单独或与传统电子电路配合使用，以光速发送和处理信息，使其成为人工智能数据饥渴应用的有前途的解决方案。

除了无与伦比的速度外，光子电路使用的能量明显低于电子电路。电子在硬件中相对缓慢地移动，与其他粒子碰撞并产生热量，而光子流动而不损失能量，根本不产生热量。不受电子产品固有能量损失的负担，集成光子学有望在可持续计算中发挥主导作用。

光子学和电子学利用不同的科学领域，并使用不同的建筑结构。然而，两者都依靠光刻来定义它们的电路元件并按顺序连接它们。虽然光子芯片不利用填充电子芯片不断缩小和分层的凹槽的晶体管，但它们复杂的光刻图案引导激光束通过相干电路形成可以执行计算算法的光子网络。

但是现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员首次创造了一种光子器件，无需光刻即可提供可编程的片上信息处理，通过人工智能应用的卓越精度和灵活性提供光子学的速度。

该器件实现了无与伦比的光控制，由空间分布的光增益和损耗组成。激光器直接在半导体晶圆上投射光，无需明确的光刻路径。

材料科学与工程系(MSE)和电气系统与工程系(ESE)教授梁峰与博士生吴天伟(MSE)和博士后研究员ZiheGao和MarcoMenarini(ESE)在最近发表在NaturePhotonics上的一项研究中介绍了微芯片。

硅基电子系统改变了计算领域。但它们有明显的局限性：它们处理信号的速度很慢，它们通过串行而不是并行处理数据，并且它们只能在一定程度上小型化。光子学是最有前途的替代品之一，因为它可以克服所有这些缺点。

“但是用于机器学习应用的光子芯片面临着复杂制造工艺的障碍，其中光刻图案是固定的，可重编程性有限，容易出错或损坏并且价格昂贵，”冯说。“通过消除对光刻的需求，我们正在创造一种新的范式。我们的芯片克服了这些障碍，并消除了预定义功能的各种限制，提高了精度和最终的可重构性。

没有光刻技术，这些芯片将成为适应性强的数据处理强国。由于图案不是预定义和蚀刻的，因此该设备本质上没有缺陷。也许更令人印象深刻的是，光刻技术的缺乏使微芯片令人印象深刻的可重编程性，能够定制其激光铸造图案以获得最佳性能，无论是简单的任务(少量输入，小数据集)还是复杂(许多输入，大型数据集)。

“我们这里的东西非常简单，”吴说。“我们可以非常快速地构建和使用它。我们可以轻松地将其与经典电子产品集成。我们可以对其进行重新编程，即时更改激光模式，以实现实时可重构计算，用于AI网络的片上训练。

这是一块不起眼的半导体板，再简单不过了。正是对这块板材料特性的操纵是研究团队突破将激光投射成动态可编程模式以重新配置光子信息处理器计算功能的关键。

这种最终的可重构性对于实时机器学习和人工智能至关重要。

“有趣的部分，”美纳里尼说，“是我们控制光线的方式。传统的光子芯片是基于无源材料的技术，这意味着它的材料会散射光，来回反射。我们的材料是活跃的。泵浦光束改变了材料，当信号束到达时，它可以释放能量并增加信号的幅度。

“这种活跃的性质是这门科学的关键，也是实现我们的无光刻技术所需的解决方案，”Gao补充道。“我们可以用它来重新路由光信号，并在芯片上对光信息处理进行编程。

冯将这项技术比作一种艺术工具，一种在空白页上画画的笔。

“我们所取得的成就是完全相同的：泵浦光是我们在一块无图案的半导体晶圆(空白页)上绘制光子计算网络(图片)的笔。

但与不可磨灭的墨水线不同，这些光束可以绘制和重新绘制，它们的图案追踪了无数通往未来的道路。