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從網上購物到醫學研究，人工智慧 (AI) 持續影響著我們的日常生活。然而，每一次點選或每一次發現的背後，都隱藏著一個計算能力的世界，面臨著嚴峻的挑戰。如今的計算機消耗著大量的能源併產生熱量，限制了它們的速度和效率。為了解決這些問題，研究人員找到了一個意想不到的解決方案：用光而不是電來計算。
德國科技公司Q.ANT最近的一項突破有望重新定義人工智慧晶片的生產方式，引領全球計算機更快、更環保、更強大。
在斯圖加特的一家高科技工廠，工程師們推出了一條專門用於生產光子人工智慧晶片的先進生產線。這些晶片採用薄膜鈮酸鋰 (TFLN)，這是一種非常適合管理光訊號的特殊材料。這種材料能夠極快地控制光波，且不會產生過多的熱量。
透過利用現有的半導體工廠並對其進行升級，新方法顯著降低了成本，並加速了人工智慧處理器的開發。這項投資1400萬歐元的創新技術有望重塑全球晶片製造業，為其他國家提升自身技術生產能力樹立典範。
據研發該公司的執行長 Michael Förtsch 博士介紹，這項技術為“人工智慧晶片製造樹立了新的標杆”，旨在提高半導體生產的能源效率和獨立性。
光子晶片，也稱為光子神經處理單元 (NPU)，是一種利用光而非電進行計算的尖端處理器。與依賴電子在金屬線中運動的傳統電子晶片不同，光子晶片透過蝕刻在矽基板上的波導、調製器和其他光學元件來操縱光子（光的粒子）。
這種介質的轉變使得光子 NPU 能夠比傳統處理器更快、更高效地執行某些計算，尤其是與人工智慧 (AI) 和神經網路相關的計算。
光子NPU的核心是光干涉的概念。光波可以根據其相位和振幅進行組合或抵消，這一特性可用於執行矩陣乘法——這是AI工作負載中的核心運算。
例如，當光穿過可程式設計干涉儀網路時，它可以被配置成表示神經網路中使用的權重矩陣。輸出端的干涉圖案結果與計算資料相對應，從而有效地以光速執行復雜的運算。
光子晶片的一大優勢在於其能夠透過波分複用技術同時處理多個數據流。每種波長（或顏色）的光都可以承載各自的資訊流，從而實現高吞吐量的並行處理，而不受傳統晶片受熱和電效能限制的影響。這意味著光子NPU可以實現極高的頻寬和更低的延遲，同時功耗更低。
此外，光子晶片天然適用於模擬計算。與將資訊分解成位元的數位電子裝置不同，光子系統可以表示和操作連續值，這對於訊號處理和人工智慧推理等任務非常有用。然而，這也帶來了一個挑戰：在模擬光學系統中保持精度和管理噪聲非常困難，因此通常採用整合光子和電子元件的混合設計。
光子晶片可將處理速度提高50倍，同時能耗降低30倍。這意味著對於管理大規模計算任務至關重要的資料中心可以執行得更快、更可持續。
Förtsch 博士強調了這種轉變的迫切需要，並指出：“隨著人工智慧和資料密集型應用將傳統半導體技術推向極限，我們需要重新思考核心計算的方式。” 光子處理器正是提供了這樣的解決方案，它提供了一種可持續的解決方案，既能滿足不斷增長的計算需求，又不會對現有基礎設施造成過大的壓力。
光子晶片的一大優勢在於其能夠以數千兆赫的頻率執行極快的光訊號調整。由於這些調整過程中幾乎不產生熱量，因此它們比傳統的矽晶片執行得更精確、更高效。這種效率對於現代人工智慧系統至關重要，因為機器學習、科學模擬和即時資料分析等任務需要進行大量的數學計算。
負責新生產線的半導體研究所執行長Jens Anders教授強調，新型光子晶片為“節能的下一代計算”設定了藍圖。他強調，現在是此類技術的最佳時機，因為人工智慧及其相關應用的快速發展很快就會對傳統資料中心造成巨大威脅。
除了實驗室實驗之外，光子晶片已透過雲端人工智慧試驗展現其潛力。這些處理器透過標準 PCIe 介面整合到現有資料中心，可以無縫提升當前的計算配置。它們能夠高效地處理關鍵的人工智慧工作負載，例如模型訓練、複雜模擬以及機器學習應用中所需的高密度數學運算。
這項技術並非旨在取代 GPU（圖形處理單元）等傳統處理器，而是對其進行補充，就像GPU目前對標準 CPU（中央處理器）進行補充一樣。“我們並非要取代 GPU，而是要重塑下一代計算生態系統。”Förtsch 博士解釋說，並強調光子技術將成為 AI 協處理器的未來標準。
該生產線目前每年可處理多達1000片晶圓，從而支援晶片設計的持續開發和微調。該設施還作為專為高效能計算環境設計的先進伺服器技術的研究中心。工程師和研究人員可以快速調整晶片架構以滿足不斷變化的市場需求，從而顯著加快從實驗室到市場的程序。
六年前，這項創新背後的團隊押注於TFLN技術。如今，這一決策帶來了顯著的優勢。他們在光子學領域的專業知識，以及對從原材料到成品的製造流程的全面掌控，使其在半導體行業中佔據了獨一無二的地位。這也標誌著他們朝著實現高速、低能耗計算的廣泛應用和經濟可行性邁出了關鍵一步。
制定光子晶片生產藍圖，其益處遠不止一個地區或一家公司。它為其他致力於加強半導體產業的國家提供了一個典範。目前，全球半導體生產嚴重依賴於幾個關鍵地區。任何中斷都可能造成嚴重後果，影響從汽車製造到關鍵醫療技術等各個領域。
這種新的光子晶片生產方法有助於擺脫對全球供應鏈的依賴。採用類似製造方法的國家可以生產自己的先進處理器，增強抵禦未來中斷的能力。這一戰略為實現更加分散式和穩定的半導體產業提供了一條切實可行的途徑。
該公司的最終目標雄心勃勃但又明確：到 2030 年，讓光子處理器成為全球人工智慧基礎設施的重要組成部分。“到 2030 年，我們的目標是讓我們的光子處理器成為人工智慧基礎設施可擴充套件、節能的基石，”Förtsch 博士說道，並強調了對可持續重塑技術的長期承諾。
計算領域將迎來變革性的影響。資料中心將變得更冷、更快，運營成本也將大幅降低。科學研究和行業應用將加速發展，推動醫學、氣候建模和機器人技術領域的創新以前所未有的速度發展。
這項突破並非僅僅是漸進式的改進，而是一次巨大的轉變。光子處理器利用光的力量，有望在速度、效率和可持續性方面實現顯著提升。它們不僅代表著更先進的技術，更代表著更智慧的技術，完美契合人工智慧驅動的未來。
有了光子計算，傳統晶片的瓶頸可能很快就會成為遙遠的記憶。隨著這項技術的規模化和主流化，創新的可能性將無限廣闊。人工智慧驅動的行業、研究機構，甚至您的個人科技裝置，都可能很快在速度和效率上實現顯著飛躍。
在快速發展的數字世界中，光子晶片提供的不僅僅是技術進步；它們還為可持續的計算未來提供了一條更清晰、更光明的道路。
參考連結
https://www.thebrighterside.news/post/worlds-first-photon-based-npu-is-50x-faster-and-uses-30x-less-power/
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