自英特爾于 1971 年推出全球第一個(gè)微處理器以來，電腦計(jì)算能力的提升速度令人嘆為觀止。按照摩爾定律，如今的計(jì)算機(jī)芯片的威力能達(dá)到五十年前的數(shù)百萬倍。然而，盡管處理能力在過去幾十年中實(shí)現(xiàn)了飛速增長，但計(jì)算機(jī)芯片的基本架構(gòu)一直沒有什么變化。在大多數(shù)情況下，硅的創(chuàng)新需要將晶體管的體積不斷縮小，以便能將更多的晶體管壓縮到集成電路上。數(shù)十年來，英特爾和AMD這些公司都在通過這種辦法不斷提高CPU能力，哈佛商學(xué)院教授克萊頓·克里斯滕森（Clayton M. Christensen）將這個(gè)過程稱為 "持續(xù)創(chuàng)新" （sustaining innovation）。

不過，隨著摩爾定律逐漸逼近極限，光子技術(shù)成為了超越摩爾定律的研究方向之一。

新科技例如自動(dòng)駕駛汽車或者AI應(yīng)用對計(jì)算能力的需求已經(jīng)逐漸超出了常規(guī)計(jì)算機(jī)處理器的能力。明斯特大學(xué)的研究人員經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，光子處理器（通過光對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理）可以更快更并行地處理信息，而電子芯片則無法做到這一點(diǎn)（該研究結(jié)果已發(fā)表于《自然》雜志）。

圖源：ScienceDaily

光子處理器可加快機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的任務(wù)，使復(fù)雜的數(shù)學(xué)任務(wù)能夠以極快的速度（每秒1012 -101?）進(jìn)行處理。像一些常規(guī)芯片（例如圖形卡）或者Google TPU（張量處理單元）之類的專用硬件都基于電子數(shù)據(jù)傳輸，速度就會慢很多（理想狀態(tài)下，光子芯片的計(jì)算速度能比電子芯片快約 1000 倍）。明斯特大學(xué)物理研究所和軟納米科學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，利用光進(jìn)行信號傳輸能夠使處理器通過波長多路復(fù)用執(zhí)行并行數(shù)據(jù)處理，這就提高了計(jì)算密度，同時(shí)，僅需一個(gè)時(shí)間步即可進(jìn)行許多矩陣乘法。與通常在低GHz范圍內(nèi)工作的傳統(tǒng)電子產(chǎn)品相比，光調(diào)制速度可以達(dá)到50至100 GHz范圍。這都是以前從未達(dá)到過的數(shù)據(jù)速率和計(jì)算密度。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用可謂十分廣泛。例如，在人工智能領(lǐng)域，大量數(shù)據(jù)就可以在節(jié)省能量的情況下被同時(shí)處理（同等計(jì)算速度下，光子芯片的功耗僅為電子芯片的數(shù)百分之一）；大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用則可以進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測和更精確的數(shù)據(jù)分析，例如，光子處理器支持在醫(yī)學(xué)診斷中評估大量數(shù)據(jù)（比如以特殊成像方法生成的高分辨率3D數(shù)據(jù)）。另外，由于自動(dòng)駕駛汽車依賴于對傳感器數(shù)據(jù)的快速評估，以及提供存儲空間、計(jì)算能力或應(yīng)用軟件的云計(jì)算等 IT 基礎(chǔ)設(shè)施，因此光子處理器還可被進(jìn)一步應(yīng)用在自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域中。

總的來說，光具有高計(jì)算速度、低功耗、低時(shí)延、擅長并行計(jì)算等特點(diǎn)，且不易受到外界影響，例如溫度、電磁場和噪聲變化等。不過，目前看來想要用光子芯片完全取代電子芯片是不太可能的，因?yàn)楣庾有酒跀?shù)據(jù)的讀取方面都是需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，在能量效率方面都會受到限制。不過在 AI 應(yīng)用領(lǐng)域，如果能夠?qū)⒐庾蛹夹g(shù)與電子技術(shù)結(jié)合，則有望獲得比傳統(tǒng)芯片更快的速度和更高的能效。